anÁlisis numÉrico de falla para herramienta de …
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL ZACATENCO
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
ANÁLISIS NUMÉRICO DE FALLA
PARA HERRAMIENTA DE IMPLEMENTO
DE EQUIPO DE MAQUINARIA PESADA
T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN CIENCIAS
EN INGENIERÍA MECÁNICA
PRESENTA
ING. GUSTAVO ADRIÁN REYES JIMÉNEZ
DIRECTORES
DR. GUILLERMO URRIOLAGOITIA SOSA
DR. GUILLERMO URRIOLAGOITIA CALDERÓN
MÉXICO, D.F. NOVIEMBRE 2012
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
SECRETARÍA DE INVESTIGACIÓN Y POSGRADO
CARTA DE CESIÓN DE DERECHOS
En la Ciudad de México, Distrito Federal, el día 05 de Noviembre de 2012, el que
suscribe, ING. GUSTAVO ADRIÁN REYES JIMÉNEZ , alumno del Programa
MAESTRÍA EN CIENCIAS EN INGENIERÍA MECÁNICA , con número de registro
A110580 adscrito a la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la Escuela
Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Zacatenco, manifiesta
que es autor intelectual de este trabajo de Tesis bajo la dirección del DR. GUILLERMO
URRIOLAGOITIA SOSA y DR. GUILLERMO URRIOLAGOITIA CALDERÓN ,
y cede los derechos del trabajo titulado “ ANÁLISIS NUMÉRICO DE FALLA PARA
HERRAMIENTA DE IMPLEMENTO DE EQUIPO DE MAQUINARIA PESADA” al
Instituto Politécnico Nacional para su difusión con fines académicos y de Investigación.
Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, gráficas o datos
del trabajo sin el permiso expreso del autor y/o directores del trabajo. Este puede ser
obtenido escribiendo a la siguiente dirección electrónica: [email protected] .
Si el permiso se otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente y citar la
fuente del mismo.
Ing. Gustavo Adrián Reyes Jiménez
Agradecimientos
Al Instituto Politécnico Nacional.
A la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica.
A la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología.
A Madisa Caterpillar.
Al Dr. Guillermo Urriolagoitia Sosa por la oportunidad otorgada para la obtención de este
grado, tiempo, apoyo invaluable y sabios consejos brindados.
A todas las personas cercanas a mi que me aportaron para la culminación de esta tesis y
obtención del grado.
Resumen i
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Resumen
En este trabajo de tesis se desarrolla la investigación referente al análisis numérico de falla, a
través, de la evaluación del estado de esfuerzos y deformaciones presentados por la
herramienta de implemento de un equipo de maquinaria pesada específicos, así como de sus
componentes estructurales localizados como críticos, durante diferentes condiciones y etapas
externas presentadas y propuestas, habiéndose generando en CAD los modelados a evaluar y
simulándose a partir empleo del Método del elemento finito, a fin de recopilar información
referente a la falla de tal elemento estructural. Inicialmente se comienza con el desarrollo de la
investigación a cerca de la información previa sobre esta temática, esto con el fin de
comprender y determinar sus efectos, su origen y su clasificación, además de los diferentes
parámetros que han dado su desarrollo, ubicándo el plano y nivel en el que se localiza el arte.
En una primera etapa se involucran los fundamentos teóricos referentes a la generación de una
gran diversidad de equipos de maquinaria pesada y haciéndose énfasis en los equipos y
elementos estructurales de nuestro específico interés, localizándo así, lo referente a los
Tractores de cadenas y sus respectivas herramientas de implemento, así como los inherentes
elementos mecánicos involucrados en el funcionamiento propio.
Posteriormente se comienza a desarrollar el objetivo fundamental de este trabajo de tesis, por
lo que son generados los modelados de los diferentes componentes estructurales pertenecientes
a la herramienta de implemento hasta obtener en su conjunto el ensamble total de la estructura
que es evaluada y simulada numéricamante a través del Método del elemento finito, por lo que
son referidas las condiciones en las que se desarrolla tal elemento. Esta evaluación es generada
primeramente bajo condiciones externas de trabajo cotidianas aplicadas a la herramienta de
implemento bajo un régimen elástico. Posteriormente es efectuado el análisis bajo condiciones
elastoplásticas descritas a partir del material específico de construcción con condiciones
externas propuestas a fin de ubicar al elemento estructural en el rango plástico y obteniendo
deformaciones permanentes conllevandolo así a su falla para una posterior descarga
localizando los esfuerzos residuales generados tras la historia previa de carga, de tal análisis
son apreciados los componentes críticos del elemento, procediendo así finalmente a la
generación de un análisis de falla similar aplicado a los soportes en especifico, obteniendo así
los parámetros y condiciones requeridos como objetivo de este trabajo de investigación.
Abstract ii
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Abstract
In this thesis research is conducted concerning the numerical analysis of failure, through,
assessing the state of stress and strain produced by the tool implement a specific heavy
machinery equipment, as well as localized structural components as critics, for different
conditions and external steps and proposals submitted, having generated in the CAD modeling
and simulating assess from the use of Finite element method in order to collect information
regarding the failure of such structural element. Initially it starts with the development of
research about pre-information on this subject, this in order to understand and determine their
effects, their origin and their classification, in addition to the various parameters that have
their development, placing the flat and level which is located in the art.
The first stage involved the theoretical foundations concerning the generation of a wide range
of heavy machinery equipment and making emphasis on equipment and structural elements of
our specific interest, locating well, the Bulldozer and their tools implement as well as the
inherent mechanical elements involved in the operation itself.
Then you begin to develop the fundamental objective of this thesis work, which are generated
by the modeling of different structural components belonging to implement tool to get a whole
complete assembly of the structure is evaluated and numerically simulated to through the
Finite element method, which are referred to by the conditions under which such element is
developed. This assessment is primarily generated under external conditions applied to
everyday work tool attachment under elastic regime. Analysis is then carried out under
conditions described elastoplastic from specific material construction with external conditions
proposed to locate the structural element in the plastic range and obtaining permanent
deformations conllevandolo and his subsequent failure to download locating residual stresses
generated after Load the previous history of such analyzes are critical components appreciated
element and finally proceeding to the generation of a similar failure analysis applied to
supports in specific, thus obtaining the required parameters and conditions aim of this
research.
Objetivos iii
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Objetivos
Objetivo General
Generar el análisis numérico de falla para la herramienta del implemento en un equipo de
maquinaria pesada.
Objetivos Particulares
Para lograr alcanzar el objetivo general que anteriormente se propone, es necesario cubrir con
una serie de objetivos particulares que a continuación se presentan.
• Conocer y comprender el comportamiento estructural de trabajo de la herramienta de
implemento de un equipo de maquinaria pesada.
• Describir el arreglo geométrico estructural de la herramienta de implemento de un
equipo de maquinaria pesada, para de esta manera comprender mecánicamente su
comportamiento. Así como, las condiciones de falla.
• Desarrollar el análisis numérico del modo propuesto dentro del objetivo general,
utilizando el método del elemento finito.
Justificación iv
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Justificación
La maquinaria pesada es una de la más importantes industrias a nivel mundial en nuestros
días, con un desarrollo tecnológico incesante y una expansión creciente y acelerada, además de
ser una de las industrias que mayor cantidad de capitales genera directa e indirectamente; por
lo anterior no es una industria aislada sólo involucrada únicamente en su producción, si no
también tiene fuertes efectos e injerencia en diferentes ramas de la industria actual tales como
construcción general, construcción pesada, minería, canteras, trituración y perforación,
generación de energía, agricultura y pesca, extracción de petróleo, transporte marino, entre una
gran diversidad más de aplicaciones y ramas de la industria.
Por lo anterior con el fin de tener una alta confiabilidad en equipos de maquinaria pesada, es
de primera importancia hacer énfasis a aquellos componentes estructurales en los cuales se
presenta una mayor cantidad de esfuerzos, fallas, mantenimientos y ciclos de trabajo siendo así
la herramienta del implemento del equipo la percibida de acuerdo a estos criterios, además de
ser aquel componente estructural primordial e indispensable para la totalidad de los trabajos
realizados por el equipo, al ser la herramienta ejecutante del trabajo. Si este componente
estructural llegara a fallar de manera importante o sufrir un colapso, dependiendo de la
localización y el daño causado a la estructura, puede conducir a fallas catastróficas y a
costosos tiempos improductivos y mantenimientos.
Realizar un estudio numérico con base en el Método del elemento finito (MEF), permite
cuantificar la capacidad de la herramienta del implemento de un equipo de maquinaria pesada,
con el fin de observar el comportamiento total y la absorción de energía que tiene el
componente estructural de trabajo, conociendo esto, es posible obtener los parámetros y
condiciones de falla, desarrollando información en vías de la implementación de mejoras en su
arreglo estructural, así como la visualización de sus capacidades de trabajo y de tiempo de vida
útil del componente estructural.
Índice general v
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Índice general
Resumen i
Abstract ii
Objetivos iii
Justificación iv
Índice general v
Índice de figuras xiii
Índice de tablas xviii
Simbología xix
Introducción xxi
Capítulo I. Estado del arte
I.1.- Maquinaria pesada 2
I.2.- Antecedentes históricos de la maquinaria pesada 2
I.2.1.- Niveladora 4
I.2.2.- Raspador 4
I.2.3.- Bulldozer 5
I.2.4.- Tractor agrícola 5
I.2.5.- Compactadora 6
I.3.- Maquinaria pesada con herramienta de implemento 7
I.3.1.- Especificaciones de equipos con herramienta de implemento 8
I.3.1.1.- Potencia y peso del equipo 8
I.3.1.2.- Transmisiones 8
I.3.1.3.- Eficiencia de combustible 9
I.3.1.4.- Herramienta de implemento 10
I.4.- Retroexcavadora 10
I.4.1.- Definición 10
I.4.2.- Operaciones 11
I.4.3.- Aplicaciones 11
I.4.4.- Tipos 12
I.4.4.1.- Retroexcavadora mixta 12
I.4.4.2.- Retroexcavadora araña 13
Índice general vi
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
I.4.5. Aplicaciones 13
I.4.6.- Transporte 13
I.4.7.- Mantenimiento 13
I.4.8.- Proveedores y marcas 14
I.5.- Cargador frontal 14
I.5.1.- Definición 14
I.5.2.- Operaciones 15
I.5.3.- Aplicaciones 15
I.5.4.- Tipos 15
I.5.5.- Transporte 16
I.5.6.- Mantenimiento 16
I.5.7.- Proveedores y Marcas 16
I.6.- Motoniveladora 16
I.6.1.- Definición 16
I.6.2.- Operaciones 17
I.6.3.- Esquema 17
I.6.4.- Aplicaciones 18
I.6.5.- Tipos 18
I.6.6.- Transporte 18
I.6.7.- Mantenimiento 19
I.6.8.- Proveedores y Marcas 19
I.7.- Tractor bulldozer 19
I.7.1.- Definición 19
I.7.2.- Operaciones 20
I.7.3.- Aplicaciones 20
I.7.4.- Tipos 20
I.7.4.1.- Por el sistema de traslación 20
I.7.4.2.- Por la forma en que mueve su herramienta de implemento 21
I.7.4.3.- Otra clasificación según Caterpillar 21
I.7.5.- Herramienta de implemento, hoja recta “S” 21
I.7.6.- Herramienta de implemento, hoja angulable e inclinable
a potencia “P” 22
Índice general vii
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
I.7.7.- Herramienta de implemento, hoja amortiguada "C" 22
I.7.8.- Herramienta de implemento, hoja universal "U" 23
I.7.9.- Herramienta de implemento, hoja semiuniversal “SU” 23
I.7.10.- Control de la herramienta de implemento 24
I.7.11.- Accesorios Adicionales 24
I.7.12. Transporte 24
I.7.13.- Mantenimiento 24
I.7.14.- Proveedores y Marcas 25
I.8.- Planteamiento del problema 26
I.9.- Sumario 27
I.10.- Referencias 28
Capítulo II. Fundamentos teóricos
II.1.- Tractor de cadenas D8T 30
II.2.- Motor C15 con tecnología ACERT 30
II.2.1.- C15 31
II.2.2.- Potencia neta constante 31
II.2.3.- Bloque del C15 31
II.2.4.- Controlador del Motor ADEM A4 31
II.2.5.- Suministro de combustible 32
II.2.6.- Sistema de combustible MEUI 32
II.2.7.- Posenfriamiento de aire a aire remoto y flujo de aire 32
II.2.8.- Turbocompresión y posenfriamiento de aire a aire 32
II.2.9.- Servicio 32
II.3.- Controles de la dirección y del accesorio 33
II.3.1.- Control de la dirección 33
II.3.2.- Control electrónico del desgarrador 33
II.3.3.- Control electrónico programable de la hoja topadora 33
II.3.4.- Palanca de control de la herramienta de implemento 34
II.3.5.- Inclinación Vertical Automática 34
II.3.6.- Opción Lista para AccuGrade (ARO) 34
II.3.7.- Sistema de Movimiento de Tierras Asistido por Computadora (CAES) 35
Índice general viii
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
II.3.8.- Palanca de control del desgarrador 35
II.3.9.- Sistema de control del timón 36
II.4.- Tren de impulsión 36
II.4.1.- Divisor de par 36
II.4.2.- Sistema de dirección de diferencial 36
II.4.3.- Servotransmisión planetaria 37
II.4.4.- Tracción en la barra de tiro frente a cambios de velocidad 38
II.4.5.- Mandos finales elevados 38
II.5.- Tren de rodaje 38
II.5.1.- Diseño con tren de rodaje amortiguado 39
II.5.2.- Suspensión con soportes basculantes 39
II.5.3.- Montaje de rodillo superior integrado 39
II.5.4.- Rodillos y ruedas guía 39
II.5.5.- Bastidores de rodillos 40
II.5.6.- Segmentos de ruedas motrices 40
II.6.- Estructura 40
II.6.1.- Resistencia del bastidor principal 40
II.6.2.- Rieles del bastidor 41
II.6.3.- Fundiciones de acero pesado 41
II.6.4.- Rieles superior e inferior 41
II.6.5.- Caja principal 41
II.6.6.- Eje pivote 41
II.6.7.- Barra compensadora 42
II.6.8.- Tirante estabilizador 42
II.7.- Herramientas de implemento 42
II.7.1.- Hojas topadoras 42
II.7.1.1.- Hoja semiuniversal 42
II.7.1.2.- Hoja universal 43
II.7.2.- Inclinación doble optativa 44
II.7.3.- Cuchillas y cantoneras 44
II.7.4.- Desgarradores 44
II.7.4.1.- Desgarrador con un vástago 44
Índice general ix
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
II.7.4.2.- Desgarrador con vástagos múltiples 44
II.7.5.- Sistema hidráulico 44
II.7.6.- Contrapesos traseros 45
II.8.- Capacidad de servicio 45
II.8.1.- Filtro de aceite del motor 45
II.8.2.- Separador de agua y filtro de combustible 45
II.8.3.- Conexiones de desconexión rápida 45
II.8.4.- Análisis S.O.S. 45
II.8.5.- Product Link PL300 de Caterpillar 45
II.8.6.- Respaldo al equipo 46
II.8.7.- Componentes remanufacturados 46
II.9.- Dimensiones del equipo 46
II.10.- Selección de la herramienta de implemento 47
II.10.1.- Materiales a mover 47
II.10.2.- Limitaciones del equipo 48
II.11.- Medición de la producción fuera del trabajo 48
II.11.1.- Producción promedio por hora del bulldozer D8T
con herramienta de implemento semiuniversal 51
II.12.- Medición de la producción en el trabajo 52
II.12.1.- El empleo de técnicas de reconocimiento 52
II.12.2.- Peso de cargas de la hoja 52
II.12.3.- Medición de cargas de la hoja 53
II.13.- Soportes de borde de corte para las herramientas de implemento 54
II.13.1.- Descripción 54
II.13.2.- Características y Beneficios 54
II.13.3.- Instrucciones de instalación 54
II.13.4.- Cantoneras 55
II.13.5.- Finales de hoja 55
II.13.6.- Sujetadores roscados 56
II.13.7.- Placas de desgaste 56
II.13.8.- Barras de desgaste 56
II.14.- Sumario 57
Índice general x
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
II.15.- Referencias 57
Capítulo III. Análisis numérico elástico para herramienta de implemento
III.1.- Introducción al Método del Elemento Finito (MEF) 61
III.1.1.- Breve historia del MEF 62
III.1.2.- Conceptos generales del MEF 63
III.1.3.- Funcionamiento del MEF 66
III.1.4.- Formulación del MEF 67
III.2.- Programa computacional Mechanical Desktop de diseño y modelado 68
III.2.1.- Ventajas de Mechanical Desktop 70
III.3.- Dimensiones de la herramienta de implemento 70
III.4.- Construcción tridimensional de la herramienta de implemento 71
III.5.- Ensamble de herramienta de implemento 75
III.6.- Generación de archivo con extensión SAT 75
III.7.- Condiciones de la herramienta de implemento en operación 75
III.8.- Requerimientos para análisis por MEF en ANSYS 78
III.9.- Análisis numérico por Método del Elemento Finito 79
III.9.1.- Preprocesamiento 79
III.9.2.- Aplicación de restricciones y agentes externos 81
III.9.3.- Postprocesamiento 82
III.10.- Análisis de resultados 86
III.11.- Sumario 86
III.12.- Referencias 87
Capítulo IV. Análisis numérico elastoplástico para herramienta de implemento
IV.1.- Elastoplasticidad 89
IV.2.- Teoría Elastoplástica 90
IV.2.1.- Superficie de fluencia 90
IV.2.2.- Regla de flujo 90
IV.2.3.- Relación tensión-deformación 91
IV.3.- Tratamiento Elastoplástico 91
IV.4.- Comportamiento elastoplástico del acero estructural 92
IV.5.- Modelo elastoplástico 93
Índice general xi
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
IV.6.- Criterio de Von Mises para Elastoplasticidad 97
IV.7.- Endurecimiento por deformación 98
IV.7.1.- Endurecimiento cinemático 100
IV.7.2.- Endurecimiento cinemático lineal 101
IV.8.- Esfuerzos residuales 102
IV.8.1.- Efectos de los esfuerzos residuales 102
IV.9.- Condiciones de la herramienta de implemento para análisis
elastoplástico 104
IV.10.- Modelado y exportado de herramienta de implemento en CAD 105
IV.11.- Requerimientos para análisis por Método del Elemento Finito 106
IV.12.- Análisis elastoplástico por Método del Elemento Finito 107
IV.12.1.- Preprocesamiento 107
IV.12.2.- Procesamiento 110
IV.12.3.- Postprocesamiento 111
IV.13.- Análisis de resultados 117
IV.14.- Sumario 117
IV.15.- Referencias 118
Capítulo V. Análisis numérico elastoplástico para soportes
de herramienta de implemento
V.1.- Elementos estructurales del sistema hidráulico en maquinaria pesada 120
V.1.1.-Mangueras 122
V.1.2.- Acoplamientos 123
V.1.3.- Bombas y motores hidráulicos 123
V.1.4.- Sellos 123
V.1.5.- Válvulas 124
V.1.6.- Cilindros hidráulicos 124
V.1.7.- Camisas 124
V.1.8.- Soporte de aplicación del cilindro hidráulico 124
V.2.- Dimensionamiento de soportes para cilindros hidráulicos 125
V.3.- Condiciones de soportes de cilindros hidráulicos para análisis
elastoplástico 126
Índice general xii
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
V.4.- Modelado y exportado de soportes para levante e inclinación en CAD 128
V.5.- Elementos necesarios para análisis elastoplástico por MEF 128
V.6.- Análisis elastoplásticos de soportes por MEF 129
V.6.1.- Preprocesamientos 129
V.6.2.- Procesamientos 132
V.6.3.- Postprocesamientos 133
V.7.- Análisis de resultados 139
V.8.- Sumario 139
V. 9.- Referencias 140
Conclusiones y discusiones 142
Trabajos futuros 145
Índice de figuras xiii
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Índice de figuras
Capítulo I
Figura I.1.- Maquinaria pesada 2
Figura I.2.- Maquinaria pesada en la antigüedad 3
Figura I.3.- Niveladora autopropulsada introducida por primera vez en 1909 4
Figura I.4.- Motoniveladora actual 4
Figura I.5.- Tractor de oruga de término genérico Caterpillar 5
Figura I.6.- Uno de los primeros tractores asociados a actividades
de agricultura 6
Figura I.7.- Compactadora mecánica manufacturada en Reino Unido,
líder en producción 6
Figura I.8.- Bulldozer Caterpillar, equipo con herramienta de implemento 7
Figura I.9.- Presentaciones más comunes para combustible
diesel y aceites Caterpillar 9
Figura I.10.- El bulldozer más grande del mundo, Komatsu D575A-3
Super Dozer 10
Figura I.11.- Dimensiones de maniobrabilidad de una retroexcavadora Case 11
Figura I.12.- Cargador frontal Volvo 14
Figura I.13.- Motoniveladora 170B New Holland 17
Figura I.14.- Tractor bulldozer D8T Caterpillar 19
Figura I.15.- Herramienta de implemento, hoja recta “S” 22
Figura I.16.- Herramienta de implemento, hoja amortiguada “C” 23
Figura I.17.- Herramienta de implemento, hoja semiuniversal “SU” 23
Capítulo II
Figura II.1.- Bulldozer D8T Caterpillar en operación 30
Figura II.2.- Motor C15 ACERT Caterpillar 31
Figura II.3.- Desgarrador (ripper) para bulldozer D8T Caterpillar 33
Figura II.4.- Pantalla del CAES 35
Figura II.5.- Tren de impulsión acoplado a motor 36
Figura II.6.- Servotransmisión planetaria de tren de impulsión 37
Figura II.7.- Mandos finales elevados desarrollados por Caterpillar en 1982 38
Índice de figuras xiv
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura II.8.- Tren de rodaje con rueda motriz elevada 39
Figura II.9.- Bastidor principal 41
Figura II.10.- Herramienta de implemento semiuniversal SU 43
Figura II.11.- Dimensiones de bulldozer D8T Caterpillar 46
Figura II.12.- Producción estimada para hojas semiuniversales
de equipos D6N a D11R 49
Figura II.13.- Producción estimada para hojas universales
de equipos D6N a D11R 50
Figura II.14.- Producción estimada para hojas rectas
de equipos D6N a D11R 50
Figura II.15.- Porcentaje de pendiente de terreno contra factor de empuje 51
Figura II.16.- Factores de corrección para condiciones de trabajo 52
Figura II.17.- Vistas superior y lateral de parámetros de pilas de material 53
Figura II.18.- 1) Identificación de partes, 2) Dimensiones críticas 55
Capítulo III
Figura III.1.- Discretización del continuo 61
Figura III.2.- Condiciones de contorno, contorno y dominio 63
Figura III.3.- Viga en voladizo con carga puntual en extremo 64
Figura III.4.- Discretizado del dominio 65
Figura III.5.- Solución a problemas odontológicos con MEF 66
Figura III.6.- Pantalla principal de Mechanical Desktop 69
Figura III.7.- Mediciones físicas de herramienta de implemento 71
Figura III.8.- Modelado de soporte de brazo de sujeción 72
Figura III.9.- Modelado de extremo 72
Figura III.10.- Modelado de hoja frontal 73
Figura III.11.- Modelado de cara posterior y esqueleto interno 73
Figura III.12.- Modelado de soporte de cilindro de elevación 74
Figura III.13.- Modelado de soporte de barra estabilizadora 74
Figura III.14.- Modelado de soporte de cilindro de inclinación 74
Figura III.15.- Modelado de ensamble de herramienta de implemento 75
Figura III.16.- Cargas y restricciones en herramienta de implemento 76
Índice de figuras xv
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura III.17.- Velocidad vs. Fuerza de tracción, por avances 77
Figura III.18.- Pantalla principal de ANSYS 78
Figura III.19.- Herramienta de implemento en ANSYS 80
Figura III.20.- Mallado de herramienta de implemento 81
Figura III.21.- Restricciones de movimiento en muñones de soportes 82
Figura III.22.- Aplicación de presión en área efectiva de empuje 82
Figura III.23.- Forma básica y deformada 83
Figura III.24.- Sumatoria de deformaciones en ejes x, y, z 83
Figura III.25.- Esfuerzo principal S1 en la herramienta de implemento 83
Figura III.26.- Esfuerzo principal S2 en la herramienta de implemento 84
Figura III.27.- Esfuerzo principal S3 en la herramienta de implemento 84
Figura III.28.- Esfuerzos por energía de distorsión máxima
o Criterio de Von Mises 84
Figura III.29.- Esfuerzos en eje de accionamiento x 85
Figura III.30.- Esfuerzos en eje de accionamiento y 85
Figura III.31.- Esfuerzos en eje de accionamiento z 85
Capítulo IV
Figura IV.1.- Efectos no producidos para Elastoplasticidad 92
Figura IV.2.- Modelos simplificados del comportamiento resistente
del acero estructural 92
Figura IV.3.- Modelo elastoplástico para acero estructural 94
Figura IV.4.- Criterio de plastificación de Von Mises 98
Figura IV.5.- Comportamiento esfuerzo-deformación unitaria
para descarga y carga 100
Figura V.6.- Superficie de cedencia inicial y subsecuente en endurecimiento
cinemático 101
Figura IV.7.- Regla lineal de endurecimiento cinemático 101
Figura IV.8.- Esquema de un estado de esfuerzos residuales 103
Figura IV.9.- Cargas y restricciones en herramienta de implemento 104
Figura IV.10.- Herramienta de implemento modelada en CAD 106
Figura IV.11.- Pantalla de arranque de ANSYS 106
Índice de figuras xvi
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura IV.12.- Importación del modelo por SAT a ANSYS 108
Figura IV.13.- Plasticidad con endurecimiento cinemático por Von Mises 109
Figura IV.14.- Mallado con elemento Tet 10 node187 110
Figura IV.15.- Restricción de grados de libertad en soportes 111
Figura IV.16.- Presión aplicada para primer paso de carga 111
Figura IV.17.- Modelo básico y deformado 112
Figura IV.18.- Sumatoria de deformaciones en ejes x, y, z 112
Figura IV.19.- Esfuerzo principal S1 en la herramienta de implemento 112
Figura IV.20.- Esfuerzo principal S2 en la herramienta de implemento 113
Figura IV.21.- Esfuerzo principal S3 en soporte de la herramienta
de implemento 113
Figura IV.22.- Esfuerzos por energía de distorsión máxima
o Criterio de Von Mises 113
Figura IV.23.- Esfuerzo cortante xy 114
Figura IV.24.- Esfuerzo cortante yz 114
Figura IV.25.- Esfuerzo cortante xz 114
Figura IV.26.- Deformación elástica 115
Figura IV.27.- Deformación plástica 115
Figura IV.28.- Esfuerzos residuales a la descarga 116
Capítulo V
Figura V.1.- Soportes en herramienta de implemento para aplicación
de cilindros hidráulicos 125
Figura V.2.- 1) Soporte de cilindro de inclinación, 2) Soporte de cilindro
de levante 126
Figura V.3.- Soportes de cilindros hidráulicos, componentes críticos 127
Figura V.4.- Modelos de 1) soporte para inclinación y 2) soporte
para levante, en CAD 128
Figura V.5.- ANSYS como software de simulación 129
Figura V.6.- Importación de archivos SAT para cada soporte 130
Índice de figuras xvii
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura V.7.- Plasticidad con endurecimiento cinemático por Von Mises
para ambos casos 131
Figura V.8.- Mallado de soportes con elemento Tet 10 node187 131
Figura V.9.- Restricciones de movimiento en áreas de contacto directo
con cilindros 132
Figura V.10.- Presiones aplicadas en áreas de contacto con cara anterior
de la herramienta 133
Figura V.11.- Modelos básicos y deformados de los soportes 134
Figura V.12.- Sumatoria de deformaciones en ejes x, y, z en soportes 134
Figura V.13.- Esfuerzos principales S1 en soportes 134
Figura V.14.- Esfuerzo principal S2 en soportes 135
Figura V.15.- Esfuerzo principal S3 en soportes 135
Figura V.16.- Esfuerzos por energía de distorsión máxima o Criterio
de Von Mises 135
Figura V.17.- Esfuerzos cortantes xy 136
Figura V.18.- Esfuerzos cortantes yz 136
Figura V.19.- Esfuerzo cortante xz 136
Figura V.20.- Deformaciones elásticas en soportes 137
Figura V.21.- Deformaciones plásticas en soportes 137
Figura V.22.- Esfuerzos residuales a la descarga de los soportes 138
Índice de tablas xviii
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Índice de tablas
Capítulo III
Tabla III.1.- Velocidades y fuerzas de tracción, por avances 77
Tabla III.2.- Especificaciones de la hoja 8SU 78
Capítulo IV
Tabla IV.1.- Especificaciones de la hoja 8SU 105
Simbología xix
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Simbología
2D Dos dimensiones
3D Tres dimensiones
CAD Computer aided design (Diseño asistido por computadora)
ε Deformación
E Módulo de elasticidad o de Young
F Fuerza
T Tensión
MEF Método del elemento finito
mm Milímetro
Pa Pascal
MPa Mega Pascal
GPa Giga Pascal
υ Relación de Poisson
N Newton
mph Millas por hora
SAT Standart ACIS Text
σ Esfuerzo
σmax Esfuerzo máximo
σu Esfuerzo último
σy Esfuerzo de cedencia
SAE Society of Automotive Engineers (Sociedad de Ingenieros Automotrices)
S1 Esfuerzo principal 1
S2 Esfuerzo principal 2
x Eje x
y Eje y
INTRODUCCIÓN
Introducción xxi
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Introducción
El término maquinaria es de origen latino y hace referencia a todo lo que permite llevar
adelante una determinada tarea, según el área en la que se esté trabajando. Antiguamente, el
término era empleado para mencionar a todo arte que enseñaba las distintas etapas de la
fabricación de las máquinas. En la actualidad, maquinaria no solo comprende a las máquinas
en sí sino también a las piezas u otros elementos que formen parte de esa ejecución mayor. Es
decir, que la combinación de piezas, máquinas, accesorios, novedades técnicas, todo eso da
como resultado la maquinaria propiamente dicha.
No es casual, entonces, que a la maquinaria se la clasifique por el ambiente en el que se la
utiliza. Las máquinas que forman parte de la gran maquinaria también están constituidas por
un conjunto de elementos, que en este caso se agrupan con una función determinada para que
todo se ejecute a la perfección. Las máquinas presentan distintas variedades, aunque todas
tienen como finalidad la de guiar una forma de energía con el propósito de que aumente la
producción, el nivel de trabajo. Su función es la de transformar la energía, a partir del motor,
que es la fuente de la cual dicha energía es tomada para que el trabajo en cuestión pueda seguir
su camino. En cuanto a la clasificación de las máquinas integradoras de distintos tipos de
maquinarias, los parámetros no son muy claros. Por un lado, se ha convenido en clasificar a las
máquinas según los tipos de motores que poseen, según su mecanismo (es decir, su conjunto
de elementos de índole mecánico)o según el bastidor, encargado de soportar el peso del motor
y del mecanismo. También se las clasifica por su utilidad, de ahí que haya máquinas
compresoras, embaladoras y taladradoras. La maquinaria taladradora, por ejemplo, a su vez
comprende distintos tipos de máquinas que van desde aquellas que son más simples a aquellas
máquinas que presentan características mucho más complejas. En el caso de las simples, estas
son menos sofisticadas y poseen un solo eje destinado a la portación de herramientas. Además
de esto, sus partes constitutivas son: la columna, el cabezal y el pie. Entre los ejemplos de
estas maquinas simples nos podemos encontrar con las que se utilizan para lograr taladrados
rápidos, imprescindibles en obras de construcción y reparación. Entre las ventajas, se
encuentra su peso, que generalmente es muy liviano, lo cual hace de estas máquinas un
elemento cómodo y de fácil transporte. Otros ejemplos de estas máquinas cuentan con el
mismo número de piezas, aunque a éste se le agregan mesas o bancos donde pueden ser
también montadas. Hay otra variedad de máquinas simples, dentro de las maquinarias, que son
Introducción xxii
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
aquellas que no se limitan a tareas relativamente sencillas. Son aquellas máquinas
empleadas para realizar agujeros de tamaños significativos. Por esta razón, se recomienda el
modelo de máquina simple que, opuesto al caso mencionado, es mucho más pesada y menos
rápida, pero muy efectiva par a cuando se quieren trabajar en superficies de mayor tamaño.
CAPÍTULO I
ESTADO DEL ARTE
Capítulo I 2
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
I.1.- Maquinaria pesada
La maquinaria pesada, de acuerdo a la relación de peso/volumen, es decir, según su capacidad,
es descrita poseedora de grandes proporciones geométricas comparado con vehículos livianos.
Tienen peso y volumetría considerable; requiere de un operador capacitado, porque varía la
operación según la maquinaria; se utiliza en movimientos de tierra de grandes obras de
ingeniería civil y en obras de minería a cielo abierto [I.1].
Figura I.1.- Maquinaria pesada
I.2.- Antecedentes históricos de la maquinaria pesada
Los Estados Unidos fueron los primeros en desarrollar innovaciones para ahorrar mano de
obra, primero en agricultura, después en construcción, los dos encajándose en una vigorosa
tradición de mecanización [I.2]. El Reino Unido y Europa se hallaban en considerable atraso
en ambos sectores, probablemente debido a la abundancia de mano de obra y la menor escala
de las obras para realizar, lo que llevó a una disolución del ímpetu hacia una mayor
productividad [I.3]. Los manufactureros norteamericanos de equipamientos, pioneros en la
obsolescencia planificada, al contrario del principio Europeo de la construcción duradera,
también alimentaron el proceso de cambio. Además de que los lazos entre los manufactureros
y los usuarios siempre estuvieron estrechos. Así permitiendo que lecciones de operación se
incorporaran en el proceso de diseño.
Capítulo I 3
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
La historia del mejoramiento en el diseño de máquinas, que se dió principalmente en los
Estados Unidos, lo que permite observar una fascinante ilustración del principio de cómo la
forma sigue a la función [I.4]. La especialización del equipamiento de mover tierra,
esencialmente como función de la distancia de acarreo, hizo aparecer a la niveladora, el
raspador, el bulldozer, la compactadora, el cargador y el ubicuo tractor agrícola. Éste
proceso se dió más o menos alrededor de los 1880 y hasta el final de la primera guerra
mundial [I.5]. Ya en esta época, todos habían adquirido su silueta familiar. El diseño elegante
y utilitario del tractor de hacienda cambió poco en los últimos noventa años. Las primeras
niveladoras, raspadores y compactadoras eran de tracción animal. Sin embargo, el esfuerzo
de tracción necesario requería de equipos de un tamaño excesivo (se mencionaron equipos de
hasta dieciséis mulas). Entonces rápidamente el tractor y luego el asentador de vías fueron
adaptados para poder jalarlos. Luego fueron motorizados. La adición de la cuchara del
bulldozer al tractor arrastrador, una innovación clave para desplazar tierra sobre cortas
distancias, llegó un poco más tarde. En la medida en que la tracción por vapor no dominaba
cómo era el caso en el Reino Unido, donde la indestructibilidad (las máquinas de vapor
victorianas quedaron en servicio por medio siglo y más) era sin duda un freno al desarrollo de
maquinaria relativamente ligera y ágil [I.6]. El motor a combustión interna fue adoptado
rápidamente. Sin duda, el hecho de que fuera tan compacto y práctico estimuló mucho el
diseño. A pesar de que no fuera una tarea trivial encender un motor a petróleo en temperaturas
de congelamiento a principios de siglo, los procedimientos para arrancar una máquina de
vapor ocupaban las primeras horas de cada día [I.7].
Figura I.2.- Maquinaria pesada en la antigüedad
Capítulo I 4
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Después del desarrollo rápido de los treinta años antes de la primera guerra mundial, se
consolidó el diseño en los años 20 y 30. El tamaño y la potencia de los motores incrementaron,
los motores diesel se volvieron bastante universales, así como, los sistemas hidráulicos [I.2].
Al umbral de la segunda guerra mundial la maquinaria de construcción había llegado grosso
modo a su forma actual.
I.2.1.- Niveladora
La primera niveladora reconocible apareció en 1886. Era naturalmente de tracción animal. Sin
embargo, se ve asombrosamente similar a su descendiente [I.4].
Figura I.3.- Niveladora autopropulsada introducida por primera vez en 1909
I.2.2.- Raspador
El raspador Fresno era el ancestro de los monstruos actuales, los cuales pueden jalar 240
metros cúbicos por hora sobre una distancia de cien metros [I.5].
Figura I.4.- Motoniveladora actual
Capítulo I 5
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
I.2.3.- Bulldozer
La historia del bulldozer empieza con el desarrollo del vehículo asentador de vías. El primero,
que funcionaba a vapor, fue utilizado por primera vez en Crimea en 1854. Modelos tempranos
tomaron cierto tiempo en encontrar su forma ideal y tomó su tiempo antes de que el manejo
por control diferencial de la velocidad de la llanta de oruga se volviera generalizado y
permitiera deshacerse del eje principal [I.2]. Se puede apreciar la manera en que el motor de
combustión interna facilitó la unión de forma y función.
El término genérico Caterpillar (tractor de oruga) fue utilizado por primera vez en 1909. En
1914 su silueta era poco diferente de los actuales [I.2]. La provechosa unión del tractor de
oruga y la hoja requirió cierto tiempo. El bullboard había sido desarrollado separadamente
para la tracción animal. Los primeros bulldozers reconocibles aparecieron alrededor de 1922 y
en los años siguientes sufrieron innovaciones intensivas en la montura y el control de la
cuchara para lograr máxima productividad. En 1930 el típico tractor de oruga se diferenciaba
poco de los que se encuentran en la actualidad.
Figura I.5.- Tractor de oruga de término genérico Caterpillar
I.2.4.- Tractor agrícola
El tractor nació para sustituirse, en las faenas agrícolas, a los animales de tracción, los cuales
estaban alcanzando rápidamente precios prohibitivos. Resulta interesante notar que alimentar
un caballo durante un año requería apartar dos hectáreas de cultivo y una hora por día de
cuidado [I.4]. El primer tractor reconocible apareció en 1890. Fue precedido, lógicamente, en
particular en el Reino Unido, por el motor a tracción. Sin embargo, su peso y su costo
Capítulo I 6
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
impedían que se reemplazara el caballo para varias faenas agrícolas cotidianas. Se utilizaban
más generalmente como máquinas estacionarias para arado y trillado, a menudo alquilándose
para uso diario. El tractor se acercó rápidamente de su diseño óptimo justo después de la
primera guerra mundial, cuando el motor y el tren de conducción reemplazaron el chasis.
Luego, la innovación consistió únicamente en cambios de detalles asociados con el incremento
continuo de tamaño y potencia [I.4].
Figura I.6.- Uno de los primeros tractores asociados a actividades de agricultura
I.2.5.- Compactadora
La Gran Bretaña lideraba en el desarrollo de compactadoras mecánicas, debido probablemente
a la propagación rápida de los caminos de Macadam durante el siglo XIX [I.5]. Las primeras
apisonadoras, manufacturadas por Aveling and Porter, fueron utilizadas en 1867 [I.6].
Figura I.7.- Compactadora mecánica manufacturada en Reino Unido, líder en producción
Capítulo I 7
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Éstos eran, así como las máquinas de tracción a vapor, exportados en grandes cantidades hacia
los Estados Unidos de América. El vapor permaneció una fuente corriente de energía durante
gran parte del siglo XX [I.7]. Sin embargo, se precisaba gran cantidad de trabajo para levantar
el vapor, regar la máquina y moverla. Además, apareció y se difundió rápidamente el rodillo
vibrante, el cual resultaba también ser más portátil. Estos factores causaron su desaparición de
las carreteras europeas en los años 50.
I.3.- Maquinaria pesada con herramienta de implemento
A finales de 1800 en América, el término destrucción se utiliza para describir el uso de la
fuerza en empujar más o empujar a través de algún obstáculo. En el decenio de 1930 el
término se utiliza para describir una máquina que se utiliza para empujar más a través de
obstáculos. En términos generales, la máquina es un camión con placa de metal adjunta al
frente. La placa que se conoce como la hoja, y se utiliza a sentir el peso de las capas del suelo
o dos tallos de árboles cortados o empujados y otros obstáculos de distancia [I.2].
Figura I.8.- Bulldozer Caterpillar, equipo con herramienta de implemento
Tal vez Caterpillar es el fabricante más conocido de equipos de maquinaria pesada, pero a lo
largo de los años los ingenieros hacen los equipos necesarios para completar las operaciones a
gran escala en la tierra, al igual que otras empresas, Komatsu, Fiat Allis, John Deere,
International Harvester, por nombrar algunos desarrolladores y fabricantes en sus versiones
de la gran pista en la tierra de todo tipo de máquinas. A través de los años se han convertido en
Capítulo I 8
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
excavadoras más grandes y poderosas, y mucho más sofisticados. Algunas de las áreas de
mejora, es que se incluyen motores más potentes, más fiables que se conducen en trenes, las
vías superiores, criados y cabañas adjuntas, hidráulica y armas que permiten la precisión en el
movimiento y control de la hoja. Todos estos acontecimientos han hecho indispensables la
maquinaria comercial e incluso militar para la construcción.
I.3.1.- Especificaciones de equipos con herramienta de implemento
I.3.1.1.- Potencia y peso del equipo
El peso y el equilibrio del equipo se encuentran entre los factores más importantes que deben
tenerse en cuenta para elegir un equipo comercial [I.8]. Como cuestión de hechos, más
caballos de fuerza y peso son necesarios para empujar la pesada carga de los altos niveles de
producción. El peso de la hoja en la parte delantera del equipo debe ser compensado por tanto
un equilibrio para contrarrestar el peso o un accesorio como un destripador o un torno, sobre
todo cuando la empujadora se utilizará para terminar el trabajo. La selección de la cantidad
adecuada de los caballos de fuerza del equipo, es una de las principales consideraciones en su
adquisición. Si va a hacer una alta producción de trabajo, entonces el alto potencial de caballos
es muy crítico. Si va a hacer más acabado, los caballos de fuerza ayudan a determinar la
facilidad de dirección del equipo. La relación entre el peso y la potencia en caballos, también
es importante. Si tiene demasiados caballos de fuerza para el peso de su equipo, la pista girará
sin tracción y esto disminuye la productividad, así como, la vida de los compartimentos. Por
otra parte, si los caballos de potencia del motor no son suficientes para el peso de la
empujadora y sus accesorios, su vehículo tendrá un momento difícil para medir las normas de
productividad que son necesarios.
I.3.1.2.- Transmisiones
La transmisión del equipo es otra importante especificación. Más a menudo el poder de las
pesadas topadoras se conecta con la transmisión que es operada por pulsadores, que
preferiblemente las manejan tipos que lo controlan con palancas. La facilidad de la operación
hace que el operador tenga menos fatiga. Los equipos cambian la transmisión de potencia con
tres adelante y tres velocidades atrás. El uso de la tercera velocidad durante largos períodos de
tiempo puede ser perjudicial para el bastidor de la topadora [I.9]. Las transmisiones
hidrostáticas dan a los equipos más maniobrabilidad y velocidades variables. Las
Capítulo I 9
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
transmisiones hidrostáticas, sin embargo, tienen más probabilidades de estar contaminados, lo
que los hace más pesados e indeseables para los equipos. El torque separador de las
transmisiones son más caras y requieren más espacio que las transmisiones del convertidor de
par, con lo que se los consideran la mayoría de las veces topadoras más grandes y pesadas.
El directivo de un equipo es un elemento más de la especificación de que deben ser objeto de
consideración. El freno de embrague tiene un sistema de dirección que le permitirá a la
empujadora su manejo cuando la pista de un lado está bloqueada y la que en el otro lado se
encuentra activada. La diferencia en los sistemas de dirección, es que son más caras, pero
mejores para poder girar y contrarrestar la rotación, lo que permite convertir a espacios más
estrictos.
I.3.1.3.- Eficiencia de combustible [I.10]
Como en cualquier empresa comercial todos los costos de los elementos hay que tenerlos en
cuenta al momento de elegir al equipo que sea adecuado para la actividad. Esto significa que
el consumo de combustible debe ser de cierta consideración, sobre todo en los momentos en
que el costo del combustible está aumentando rápidamente.
Figura I.9.- Presentaciones más comunes para combustible diesel y aceites Caterpillar
Un gran equipo comercial, como la Fiat Allis 31 consumirá alrededor de 20 galones de diesel
por hora. La velocidad real puede ser de unos 2 mph, de modo que en la clásica forma de
calcular rendimiento del combustible, que quema alrededor de 10 galones por milla. El
Capítulo I 10
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
verdadero problema en el consumo de combustible es que si se opera en un equipo durante
ocho horas en un día, se necesita aproximadamente 160 galones para el cambio. Si el depósito
de combustible tiene 100 galones, se puede ver que tiene un problema logístico de
mantenimiento de suficiente combustible para utilizar la máquina durante todo el día todos los
días. En la selección de un equipo comercial que vaya a utilizar, tendrá que encontrar una
fórmula para la cantidad de tierra movida o tareas realizadas en las ocho horas en una fábrica
para determinar el consumo de combustible y los gastos de funcionamiento del equipo. Otra
consideración es el costo de obtener el combustible para la ubicación del equipo en el trabajo,
así como del almacenamiento de combustible en el sitio.
I.3.1.4.- Herramienta de implemento
La herramienta de implemento de un equipo, por supuesto, está instalada en la parte delantera
del tractor. La función de la pala de metal pesado es empujar objetos, manipular obstáculos
aproximados, y en algunos casos llevar a la arena, suciedad, o residuos [I.8].
Figura I.10.- El bulldozer más grande del mundo, Komatsu D575A-3 Super Dozer
I.4.- Retroexcavadora [I.11]
I.4.1.- Definición
La retroexcavadora es una máquina en la cual la pluma baja y sube en cada operación; la
cuchara, unida a ella, excava tirando hacia el carretón. Es decir, hacia atrás, en vez de
empujar hacia delante, como lo hace la excavadora normal.
Capítulo I 11
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura I.11.- Dimensiones de maniobrabilidad de una retroexcavadora Case
Es fundamental que el transporte este organizado de manera tal que la retroexcavadora no
espere a los medios de transporte. La capacidad de estos debe ser múltiplo de la cuchara, para
evitar que una carga tenga que vaciarse en elementos distintos. Un buen sistema, es situar los
camiones alternativamente a un lado y al otro lo más cerca posible del frente de ataque.
I.4.2.- Operaciones
• Excavar.
• Mejor máquina en excavación de taludes por debajo de su plano de sustentación.
• Cargar.
• Realizando giros según su eje vertical hacia el volquete que se ubica detrás de él.
• Girar.
• Desplazar.
• Movilizar y desmovilizar.
I.4.3.- Aplicaciones
• Excavación de zanjas con taludes verticales; roca dura disgregada previamente. La
excavación se realiza por debajo del nivel de sustentación de la retroexcavadora sin
importar el nivel freático.
• Excavaciones de cimientos.
Capítulo I 12
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
• Excavación de canales.
• Limpieza y nivelación.
• Desmonte, carga y descarga de materiales.
• Relleno de cimientos y zanjas.
• Escarificar (ripper).
I.4.4.- Tipos
-Según su accionamiento:
• Retroexcavadoras de cable o mecánicas.
• Retroexcavadoras hidráulicas.
-Según el sistema de traslación:
• Retroexcavadoras a rieles.
• Retroexcavadoras montadas sobre cadenas (orugas).
El chasis está soportado por dos cadenas paralelas. Asimismo, los órganos de mando, igual
que en la de neumáticos, se encuentran en la cabina del conductor.
• Retroexcavadoras montadas sobre ruedas o neumáticos.
El tren de rodadura está compuesto de ruedas de caucho, los órganos de mando de
desplazamiento, dirección y frenos están en la cabina. La estabilidad se asegura con
estabilizadores independientes de las ruedas.
I.4.4.1.- Retroexcavadora mixta
Este tipo de máquina es muy práctica dado que por un lado dispone de una pala ancha capaz
de mover volúmenes considerables de tierras y por otro lado dispone de una pala con brazo
articulado muy práctica para la ejecución de zanjas, trabajos en taludes, escombros, etc. Unido
todo ello al reducido volumen de la máquina y su diseño por lo cual es capaz de moverse en
terrenos difíciles hace de esta máquina un modelo muy práctico e imprescindible para toda
labor dedicada al movimiento de tierras y/o construcción. Es muy usual su utilización en el
desbroce o escombro de solares y terrenos para comenzar nuevos edificios, limpiando el
terreno y realizando las excavaciones en zanja y pozos para sus cimientos.
Capítulo I 13
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
I.4.4.2.- Retroexcavadora araña
Se trata de una retroexcavadora giratoria, dotada de dos ruedas y dos patas, de geometría
variable y capaz de trabajar y moverse en pendientes muy inclinadas. Sus características le
permiten una gran versatilidad de movimientos, siendo capaz de minimizar el impacto
provocado por su desplazamiento a la vez que se optimiza el rendimiento del trabajo.
I.4.5. Aplicaciones
• En la agricultura para la construcción y mantenimiento de canales de drenaje o de
riego.
• En la minería para exploraciones, explotaciones en ríos y otros.
• En la construcción de líneas de alta tensión, funiculares, hostales alpinos.
I.4.6.- Transporte
La retroexcavadora puede ser transportada por el loy boy en caso de no poder transportarse
sola, si es sobre ruedas y la obra se encuentra cerca puede no necesita de transporte.
I.4.7.- Mantenimiento
El motor debe estar parado para realizar el mantenimiento, si se requiere encendido para hacer
ajustes el operador debe estar en la cabina para evitar el acceso de los controles a extraños.
-Preventivo:
• Protocolo de encendido.
• Capacidad del tanque de combustible.
• Prever posibles emplazamientos de tuberías de alcantarillado o gas.
• Si van a efectuarse soldaduras en la unidad, desconecte el alternador y baterías.
• Las baterías durante su carga o descarga producen hidrógeno y oxígeno, una
mezcla muy explosiva, una chispa puede producir la detonación de los mismos.
-Predictivo:
• Indicadores de tablero.
• Inspección visual alrededor de la máquina.
Capítulo I 14
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
-Correctivo:
• Reemplazo de grasa sucia por nueva.
• Cambio de combustible.
• Inspección visual alrededor de la máquina.
• Utilizar el aceite recomendado por el fabricante.
• En el caso de excavadoras sobre ruedas al inflar los neumáticos utilizar una
manguera larga que permita situarse paralela a la rueda y fuera del alcance de
posibles reventones.
I.4.8.- Proveedores y marcas
• Caterpillar.
• Volvo.
• Komatsu.
I.5.- Cargador frontal [I.12]
I.5.1.- Definición
El cargador frontal es un equipo tractor, montado en orugas o en ruedas, que tiene un
cucharón de gran tamaño en su extremo frontal. Los cargadores son equipos de carga, acarreo
y eventualmente excavación, en el caso de acarreo sólo se recomienda realizarlo en distancias
cortas. El uso de cargadores da soluciones modernas a un problema de acarreo y carga de
materiales, con la finalidad de reducir los costos y aumentar la producción.
Figura I.12.- Cargador frontal Volvo
Capítulo I 15
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
En el caso de excavaciones con explosivos, la buena movilidad de este le permite moverse
fuera del área de voladura rápidamente y con seguridad y antes de que el polvo de la explosión
se disipe, el cargador puede estar recogiendo la roca regada y preparándose para la entrega del
material. Los cucharones del cargador frontal varían en tamaño, desde 0.19 m3 hasta más de
19.1 m3 de capacidad, colmado. El tamaño del cucharón está estrictamente relacionado con el
tamaño de la máquina.
I.5.2.- Operaciones
• Excavar.
• Cargar.
• Descargar.
• Acarrear o transportar.
I.5.3.- Aplicaciones
Se aplica en construcciones donde exista amplio espacio para maniobrar, se utiliza en toda
obra que requiere de corte, carguío, acareo y descarga de medianos volúmenes de tierra.
• Carga de materiales.
• Mezcla de materiales.
• Excavación de terreno suelto ó blando.
• Apilado de material y carguío de material suelto.
• Deposita el material suelto, ya sea en una planta o en un lugar de desecho.
I.5.4.- Tipos
-De acuerdo a la forma de efectuar la descarga:
• Descarga frontal.
• Descarga lateral.
• Descarga trasera.
-De acuerdo a la forma de rodamiento:
• De neumáticos (bastidor rígido o articulado)
• De orugas
Capítulo I 16
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
I.5.5.- Transporte
El cargador frontal se transporta por medio del low boy en caso de no poder transportarse
sola, si esta sobre ruedas y la obra se encuentra cerca puede transportarse sola.
I.5.6.- Mantenimiento
• Protocolo de encendido.
• Punto de conexión de engrase.
• Capacidad del tanque de combustible.
• Plan de mantenimiento preventivo (cambio de aceite y filtros).
• Reemplazo de grasa sucia por nueva.
• La inspección visual alrededor del equipo.
• Cerciorarse que no hay espejos caídos, micas quebradas, cortes en los neumáticos,
balde en buen estado, vidrios trizados, plumillas en mal estado, niveles de aceite de
motor, niveles de aceite hidráulico, niveles de aceite de la transmisión, nivel del agua
del refrigerante del motor, baterías y su borne, corta corriente, fechas de vencimiento
de extintores, despiche de los acumuladores de aire si es que tiene, tapas de los
estanques, neumáticos y sus respectivas presiones recomendadas por el fabricante de
los neumáticos.
I.5.7.- Proveedores y Marcas
• Komatsu
• Caterpillar
• Kawasaki
• Volvo
I.6.- Motoniveladora [I.13]
I.6.1.- Definición
Máquina muy versátil usada para mover tierra u otro material suelto. Su función principal es
nivelar, modelar o dar la pendiente necesaria al material en que trabaja. Se considera como
una máquina de terminación superficial. Su versatilidad está dada por los diferentes
movimientos de la hoja, como por la serie de accesorios que puede tener.
Capítulo I 17
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Puede imitar todos los tipos de tractores, pero su diferencia radica en que la motoniveladora
es más frágil, ya que no es capaz de aplicar la potencia de movimiento ni la de corte del
tractor. Debido a esto es más utilizada en tareas de acabado o trabajos de precisión. Las
motoniveladoras pueden ser arrastradas o automotrices, siendo esta última la más utilizada y
se denomina motoniveladora (motograder).
I.6.2.- Operaciones
• Excavar o corte
• Cargar
• Acarreo
• Descarga o extendido
• Retorno
• Nivelación y excavación pequeña.
• Peinado de taludes.
• Construcción de cunetas.
• Extendido del material.
• Mezclado de material.
• Escarificado
Figura I.13.- Motoniveladora 170B New Holland
I.6.3.- Esquema
Son equipos conformados por una cabina, un sistema de traslación por neumáticos, una hoja
de empuje de variada posición según el modelo, tope en caso empuje. Es un equipo que
Capítulo I 18
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
presenta las siguientes características: aplicada en excavaciones (afinar corte) en terrenos
blandos y semiduros, su capacidad está dada por la capacidad de corte y arrastre, lo mejor es
realizar la operación de corte de arriba hacia abajo.
I.6.4.- Aplicaciones
• Nivelar.
• Esparcir el material descargado por los camiones y posterior nivelación.
• Conformar.
• Refino de explanadas.
• Mezclar material.
• Excavación, reperfilado y conservación de las cunetas en la tierra.
• Perfilado taludes.
• Mantener vías de tierra ó grava.
I.6.5.- Tipos
Las motoniveladoras se clasifican de la siguiente manera:
- Según su peso y potencia.
La potencia puede variar de los 115 a los 225 HP, con velocidad de hasta 45 km/h. Las
motoniveladoras van equipadas con hasta 8 velocidades hacia delante y 6 detrás, con el fin de
que sea el maquinista el que para cada trabajo elija la más idónea. Consiguen unos 40 km/h y
unos 25 km/h atrás.
- Según el número de ruedas.
• De seis ruedas ó tres ejes.
• De cuatro ruedas ó dos ejes en modelos pequeños.
• Actualmente existen modelos más grandes de cuatro ejes.
I.6.6.- Transporte
La motoniveladora se transporta por medio del low boy en caso de no poder transportarse sola,
si la obra se encuentra cerca puede transportarse sola.
Capítulo I 19
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
I.6.7.- Mantenimiento
• Los equipos a ruedas deben llevar horómetro y odómetro.
• Necesita mantenimiento preventivo, predictivo y correctivo.
• Se debe requerir lista de proveedores dentro de la cuidad, departamento, país y paises
vecinos y en último caso europeos, asiáticos, americanos.
I.6.8.- Proveedores y Marcas
• Caterpillar
• Komatsu
• Volvo
I.7.- Tractor bulldozer [I.8]
I.7.1.- Definición
Máquina para movimiento de tierra con una gran potencia y robustez en su estructura,
diseñado especialmente para el trabajo de corte (excavando) y al mismo tiempo empujando
con la herramienta de implemento, hoja (transporte). En esta máquina son montados diversos
equipos para poder ejecutar su trabajo, además debido a su gran potencia tiene la posibilidad
de empujar o apoyar a otras máquinas cuando estas lo necesiten.
Figura I.14.- Tractor bulldozer D8T Caterpillar
Capítulo I 20
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
I.7.2.- Operaciones
• Excavar (a cielo abierto en grandes dimensiones).
• Acarreo en grandes dimensiones.
I.7.3.- Aplicaciones
• Grandes excavaciones a cielo abierto
• Excavación en banco de préstamo
• Limpieza y desbroce
• Apertura de vías
I.7.4.- Tipos
I.7.4.1.- Por el sistema de traslación
-De orugas
• Su combustible mayormente es el diesel.
• Son equipos de mayor potencia.
• Chasis rígido.
• Velocidades máximas de entre 7 y 15 km/h.
• Potencias de entre 140 y 770 HP.
• Transmisiones mecánicas.
• Pesos en servicio de entre 13,5 y 68 toneladas.
• Capacidad de remontar pendientes de hasta 45º.
-De ruedas
• Producen menos compactación en el suelo, se usan más en agronomía.
• Chasis articulado con ángulos de 40º a 45º.
• Tracción en las cuatro ruedas.
• Velocidades máximas de desplazamiento de entre 16 y 60 km/h.
• Potencias de entre 170 y 820 HP.
• Transmisiones mecánicas o eléctricas.
• Pesos en servicio de entre 18,5 y 96 toneladas.
Capítulo I 21
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
I.7.4.2.- Por la forma en que mueve su herramienta de implemento
La herramienta de implemento, es decir, la hoja de empuje pueden realizar los siguientes
movimientos:
• Inclinación lateral.
• Variación del ángulo de ataque de la hoja.
• Variación del ángulo de la hoja con respecto a la dirección de avance.
• Elevación y descenso de la hoja.
Existen diferentes tipos de herramienta de implemento, hojas:
• Hoja recta: Aconsejada para trabajos de empuje en general, especialmente en aquellos
que requieren pasadas cortas o de media distancia. Es la de mayor versatilidad y
capacidad para trabajos en roca.
• Hoja angulable: Diseñada para empujar el material lateralmente, para lo cual puede
situarse en el bastidor de los brazos con ángulos de 25º a la derecha o izquierda con
respecto a la dirección del tractor.
• Hoja de empuje amortiguado: Se trata de una hoja angosta, lo que le otorga mayor
maniobrabilidad al tractor en su labor de empuje.
I.7.4.3.- Otra clasificación según Caterpillar [I.14]
• Hoja recta
• Hoja universal
• Hoja semiuniversal
• Hoja amortiguada
• Hoja angulable
Para obtener una mayor productividad los tractores deben ser equipados con la herramienta de
implemento, hoja topadora adecuada, considerando los lugares y el tipo de trabajo que
realizarán en la mayor parte de su vida útil. Básicamente se pueden citar los tipos siguientes:
I.7.5.- Herramienta de implemento, hoja recta “S” [I.14]
Esta hoja generalmente es más corta y de mayor altura, puede ser inclinada lateralmente para
facilitar su penetración en el suelo.
Capítulo I 22
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Tiene mejor adaptación debido a su diseño de "U" modificada y a su menor altura con
referencia a la hoja universal "U", por lo cual puede maniobrar con mayor facilidad, logrando
penetrar de 30 a 60 centímetros de acuerdo al modelo y tamaño del tractor, puede excavar
suelos densos obteniendo mayores cargas en una amplia variedad de materiales.
Este tipo de hoja puede ajustarse dando una inclinación frontal de hasta 10 grados.
Figura I.15.- Herramienta de implemento, hoja recta “S”
I.7.6.- Herramienta de implemento, hoja angulable e inclinable a potencia “P” [I.14]
La versatilidad es la característica principal de esta hoja al poder realizar una gran variedad de
trabajos desde desarrollos de sitios hasta trabajo general de empuje y aplicaciones de servicio
pesado. En algunas máquinas el ángulo y la inclinación se controlan con dos palancas,
mientras que en otras máquinas se usa una palanca solamente.
La hoja VPAT (orientable e inclinable a potencia con cuchilla variable) puede inclinarse
mecánicamente hacia adelante para obtener mejor penetración o para desmenuzar material
pegajoso o hacia atrás para conseguir mayor productividad y facilitar el nivelado de acabado.
I.7.7.- Herramienta de implemento, hoja amortiguada "C" [I.14]
Se utiliza para el empuje de traíllas, sus muelles de amortiguación suavizan y facilitan esta
operación, su angostura permite una mejor visibilidad al operador y una mayor
maniobrabilidad.
Capítulo I 23
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura I.16.- Herramienta de implemento, hoja amortiguada “C”
I.7.8.- Herramienta de implemento, hoja universal "U" [I.14]
Las amplias alas de esta hoja facilitan el empuje de grandes cargas a mayores distancias, se
utilizan para modelos de tractores de mayor tamaño, principalmente efectúan trabajos para la
habilitación de tierras, amontonamiento de materiales para los cargadores frontales, para la
excavación de suelos livianos de poca densidad, etc. Relativamente tienen mayor longitud y
altura, y una menor penetración que su equivalente en hoja recta "S".
I.7.9.- Herramienta de implemento, hoja semiuniversal “SU” [I.14]
La herramienta de implemento, hoja semiuniversal “SU” combina las mejores características
de las hojas “S” y “U” . Tiene mayor capacidad por habérsele añadido alas cortas que
incluyen sólo las cantoneras. Las alas mejoran la retención de la carga y permiten conservar la
capacidad de penetrar y cargar con rapidez en materiales muy compactados y de trabajar con
una gran variedad de materiales en aplicaciones de producción. Un cilindro de inclinación
aumenta la productividad y versatilidad de esta hoja. Equipada con una plancha de empuje, es
buena para cargar traíllas.
Figura I.17.- Herramienta de implemento, hoja semiuniversal “SU”
Capítulo I 24
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
I.7.10.- Control de la herramienta de implemento [I.8]
El movimiento de la herramienta de implemento, hoja topadora puede estar controlado por un
sistema de cables o por mandos hidráulicos: El control de cable tiene mayor simplicidad en su
operación, su reparación es más sencilla y menos costosa, pero tiene menor precisión. Con el
control hidráulico se puede ejercer una mayor presión sobre la cuchilla consiguiendo una
mayor penetración, además se consigue un ajuste más preciso y uniforme en la posición de la
hoja.
I.7.11.- Accesorios Adicionales [I.8]
También puede contar en su parte trasera con un escarificador (ripper). Este accesorio permite
excavar suelos duros que no se pueden remover con la hoja, tales como asfalto, pavimento
viejo y superficies congeladas.
I.7.12. Transporte
El tractor bulldozer se transporta por medio del low boy en caso de no poder transportarse
solo, si está sobre ruedas y la obra se encuentra cerca puede transportarse sola.
I.7.13.- Mantenimiento
-Mantenimiento en la zona de trabajo.
• Colocar la máquina en terreno llano. Bloquear las ruedas o las cadenas.
• Colocar la hoja apoyada en el suelo. Si se debe mantener la hoja levantada se
inmovilizará adecuadamente.
• Desconectar la batería para impedir un arranque súbito de la máquina.
• No quedarse entre las ruedas o sobre las cadenas, bajo la hoja o los brazos.
• No colocar nunca una pieza metálica encima de los bornes de la batería.
• Utilizar un medidor de carga para verificar la batería.
• No utilizar nunca un encendedor o cerillos para ver dentro del motor.
• Aprender a utilizar los extintores.
• Conservar la máquina en buen estado de limpieza.
• Mantenimiento en taller.
• Antes de empezar las reparaciones, es conveniente limpiar la zona a reparar.
• No limpiar nunca las piezas con gasolina. Trabajar en un local ventilado.
Capítulo I 25
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
• No fumar.
• Antes de empezar las reparaciones, quitar la llave de contacto, bloquear la máquina y
colocar letreros indicando que no se manipulen los mecanismos.
• Si varios mecánicos trabajan en la misma máquina, sus trabajos deberán ser
coordinados y conocidos entre ellos.
• Dejar enfriar el motor antes de quitar el tapón del radiador.
• Bajar la presión del circuito hidráulico antes de quitar el tapón de vaciado, así mismo
cuando se realice el vaciado del aceite vigilar que no esté quemado.
• Si se tienen que dejar elevados los brazos y la hoja, se procederá a su inmovilización
antes de empezar el trabajo.
• Realizar la evacuación de los gases del tubo de escape directamente al exterior del
local.
• Cuando se arregle la tensión de las correas del motor, éste estará parado.
• Antes de arrancar el motor, comprobar que no se haya dejado ninguna herramienta
encima del mismo.
• Utilizar guantes y zapatos de seguridad.
-Examen de la máquina
• La máquina antes de empezar el trabajo, deberá ser examinada en todas sus partes.
• Los exámenes deben renovarse todas las veces que sean necesarias y
fundamentalmente cuando haya habido un fallo en el material, en la máquina, en las
instalaciones o los dispositivos de seguridad habiendo producido o no un accidente.
• Todos estos exámenes los realizará el encargado o personal competente designado por
el mismo. El nombre y el cargo de esta persona se consignarán en un libro de registro
de seguridad, el cual lo guardará el encargado.
I.7.14.- Proveedores y Marcas
• Caterpillar
• Volvo
• Case
• Komatsu
• Johndeere
Capítulo I 26
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
I.8.- Planteamiento del problema
De acuerdo al conocimiento contenido en este primer capítulo, visualizamos que existe una
amplia gama de equipos de maquinaria pesada entre los que mayormente se ubican aquellos en
los que el principal elemento de ejecución y sobre el que radica ampliamente el desempeño de
éstos equipos de maquinaria pesada es la herramienta de implemento.
Con base a lo anterior, se tiene que debido a las condiciones asociadas al diseño de estas
estructuras y a los trabajos desempeñados por los equipos de maquinaria pesada dotados de
ésta herramienta se observa el caso específico del tractor bulldozer D8T Caterpillar equipado
con herramienta de implemento, hoja semiuniversal “SU”, tal elemento, es empleado de
manera indispensable para el desempeño de operación de tal equipo por lo que es de carácter
vital, es decir, la herramienta de implemento de este equipo es requerida para prácticamente la
totalidad de las ejecuciones desarrolladas por dicha maquinaria, de lo anterior surge la
principal problemática en el desempeño de dicha estructura, al presentar falla este elemento
estructural, quedando así imposibilitada para continuar ejecutando óptimamente sus funciones,
repercutiendo y deshabilitando así al equipo de maquinaria pesada de manera trascendental, de
tal manera y al grado de conducir al equipo a paros no programados o hasta paros absolutos de
la producción, a su vez, ocasionando decremento en la productividad o total pérdida de
productividad del equipo, así como al inducir a una merma en el valor comercial del equipo,
en cuanto a su estatus de valor de arrendamiento, así como en su valor total de adquisición.
De tal manera que la problemática es desarrollada a partir de la gran cantidad de energía
liberada en desempeño de las actividades a ejecutar por el equipo de maquinaria pesada
poseedor de herramienta de implemento, es decir, las condiciones de trabajo bajo las que
ejecuta sus actividades el equipo trascendiendo directamente a la herramienta de implemento,
aunado a las condiciones previas de diseño presentes en tal herramienta, he de ahí que en la
presente investigación se desarrollará un análisis numérico de falla a partir del diseño presente
de la estructura , con el objetivo primordial de recabar conocimiento con la finalidad de
establecer parámetros del comportamiento estructural de la herramienta de implemento, así
como visualizar las condiciones estructurales que propician el fallo.
Capítulo I 27
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Así mismo, a partir del resultado obtenido, vislumbrar condiciones estructurales mayormente
satisfactorias para tal herramienta de implemento con el enfocado objetivo de generar una
composición estructural más óptima en el desempeño de este elemento estructural.
Por otro lado, un cimiento importante en la generación de la presente investigación es el hecho
de no contar en México con referencias en el desarrollo de ningún tipo de estudio que lleve a
cabo un análisis en el que se aporte conocimiento referente al comportamiento estructural de
estos elementos. Por lo que, este análisis de falla de la herramienta de implemento permitirá a
partir de su desarrollo el dar validez a la estructura, cuyo comportamiento estructural brinde
un óptimo estatus de desempeño.
I.9.- Sumario
En este capítulo se abordan diversos avances en el diseño y funcionalidad de la maquinaria
pesada efectuando una reseña histórica a partir del momento de sus primeras apariciones por
tracción animal hasta los complejos desarrollos en la actualidad, a partir de tecnologías como
la electrohidráulica. Los anteriores desarrollos enfocados principalmente a dar solución
óptima a las diversas necesidades de las sociedades humanas en su carrera conseguir mayores
grados de civilización a través del tiempo.
Con la información recabada y plasmada en este capítulo se pretende recopilar los
conocimientos requeridos para la concepción de la maquinaria pesada, las diversas variantes
desarrolladas, a partir, de requerimientos deseados, así como los elementos integrales de estos
equipos, entre los que posicionamos específicamente a la herramienta de implemento, como
uno de los principales componentes en ejecución.
Posteriormente, en el próximo capítulo, será comprendido un compendio de los conocimientos
teóricos, analizando conceptos en que se base el presente trabajo de investigación, tales como
procesos, diseños, funcionamiento, además de conceptos relacionados a las tecnologías
desarrolladas en la herramienta de implemento y equipos de maquinaria pesada, rendimientos,
capacidades, materiales de fabricación.
Capítulo I 28
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
I.10.- Referencias
1.- Orlemann, E. C., Caterpillar Chronicle: The History of the World's Greatest Earthmovers,
Ed. Osceola, WI: MBI, pp. 168, 2000.
2.- Payne, W. A., The Story of the Caterpillar Tractor, Ed. Stockton, CA.; University of the
Pacific, pp. 102, 1982.
3.- Wendel, C. H., The Allis-Chalmers Story, Ed. Allis-Chalmers Corporation, pp. 372, 1988.
4.- Stewart, H., Chronicle of an Innovator in Construction and Agricultural Equipment, Ed.
Macmillan, pp. 269, 1976.
5.- Wendel, C. H., 150 Years of J. I. Case, Ed. Motorbooks International, pp. 336, 1994.
6.- Zinman, M., The History of the Decline and Fall of the Raterpillar Tractor Company: A
Modern Business Saga, Ed. Haydn Foundation, pp. 231, 1986.
7.- Broehl, Jr. W. G., John Deere's Company : A History of Deere & Company and Its Times,
Ed. J. Deere Company, pp. 117, 1984.
8.- Caterpillar Inc., Manual de Operación y Mantenimiento Tractor D4. S.e, U.S.A.; S.A., Ed.
Caterpillar Inc., pp. 7, 2010.
9.- Intecap, Módulo Transmisiones Nivel Operativo, Especialidad Mecánico de Maquinaria
Pesada, Ed. Intecap, pp. 13, 1998.
10.- Caterpillar Inc., El Refrigerante y su Motor, Ed. Caterpillar Inc., pp. 31, 2008.
11.- Caterpillar Inc., Manual de Operación y Mantenimiento Retroexcavadora 416E, S.e.;
U.S.A.; S.A., Ed. Caterpillar Inc., pp. 17, 2010.
12.- Caterpillar Inc., Manual de Operación y Mantenimiento Cargador Frontal 980F, S.e.;
U.S.A.; S.A., Ed. Caterpillar Inc., pp. 5, 2009.
13.- Caterpillar Inc., Manual de Operación y Mantenimiento Motoniveladora 130G. S.e.;
U.S.A.; S.A., Ed. Caterpillar Inc., pp. 6, 2010.
14.- Caterpillar Inc., Caterpillar Performance Handbook, Edition 38, Module 1, Track-Type
Tractors, Peoria Illinois, U.S.A., Ed. Caterpillar Inc., 2008.
CAPÍTULO II
FUNDAMENTOS
TEÓRICOS
Capítulo II 30
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
II.1.- Tractor de cadenas D8T
El tractor D8T combina potencia y eficiencia con una tecnología avanzada para lograr una
producción extraordinaria por metro cúbico. Diseñado para trabajos exigentes, a construcción
duradera del D8T está bien adaptada para condiciones de trabajo difíciles. Combinado con el
motor C15 para un rendimiento superior, economía de combustible y conformidad con las
normas de emisiones gracias a la tecnología ACERT, el D8T mantiene el material en
movimiento con la fiabilidad y los bajos costos de operación que usted espera de los tractores
Caterpillar [II.1].
Figura II.1.- Bulldozer D8T Caterpillar en operación
II.2.- Motor C15 con tecnología ACERT
La tecnología ACERT se aplica en el punto de la combustión para optimizar el rendimiento del
motor y reducir las emisiones de los gases de escape. En combinación con el divisor de par y
la servotransmisión, proporciona muchos años de servicio fiable y eficiente [II.1].
Combinación de innovaciones que funcionan en el punto de combustión, la tecnología ACERT
optimiza el rendimiento del motor al mismo tiempo que cumple con las regulaciones de
emisiones del escape del motor EPA Tier 4 y EU Etapa IIIB para aplicaciones de obras [II.2].
Capítulo II 31
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura II.2.- Motor C15 ACERT Caterpillar
II.2.1.- C15
Cuando funciona a la máxima potencia neta nominal de 231 kW (310 hp) a 1.850 rpm, la
reserva de par alta y su gran cilindrada permiten al D8T explanar materiales duros. En
combinación con el divisor de par de alta eficiencia y la servotransmisión de control
electrónico, proporcionará muchos años de servicio fiable [II.3].
II.2.2.- Potencia neta constante
La potencia neta constante permite al operador mantener estándares altos de rendimiento y
respuesta, aun con cargas parásitas, como cuando se aplica el ventilador de enfriamiento por
demanda. El motor realiza un ajuste automático para mantener la salida de potencia, y por el
contrario, disminuye la salida cuando la demanda es baja. Esto significa economía de
combustible en climas fríos [II.1].
II.2.3.- Bloque del C15
El bloque del motor de hierro gris, de una pieza, dispone de un armazón sólido para proveer
rigidez, con mamparas pesadas de cojinetes para proporcionar rigidez y resistencia. La
incorporación de puntos de conexión de rosca recta y sello anular reducen la pérdida de aceites
y fluidos del motor [II.4].
II.2.4.- Controlador del Motor ADEM A4
El módulo de control electrónico ADEM A4 controla el suministro de combustible para
obtener el mejor rendimiento posible por litro de combustible usado. Proporciona un mapa
flexible del combustible, lo que permite al motor responder rápidamente a diferentes
Capítulo II 32
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
necesidades de aplicación. Hace seguimiento a las condiciones del motor y de la máquina, a la
vez que mantiene el motor funcionando con eficiencia máxima [II.4].
II.2.5.- Suministro de combustible
El sistema de suministro de combustible de inyección múltiple es de alta precisión. La
programación precisa del ciclo de combustión reduce las temperaturas de la cámara de
combustión, genera menos emisiones, y optimiza la combustión de combustible; lo que
significa más trabajo generado por costo de combustible [II.5]
II.2.6.- Sistema de combustible MEUI
Es un sistema de combustible altamente evolucionado con un historial probado de fiabilidad
en el campo. El sistema combina la tecnología avanzada de un sistema de control electrónico
con la simplicidad de un sistema de inyección unitaria de control mecánico directo. El sistema
MEUI destaca por su capacidad de controlar la presión de inyección en toda la gama de
velocidades de operación del motor. Estas características permiten al C15 tener un control
completo sobre la sincronización, duración y presión de la inyección [II.2].
II.2.7.- Posenfriamiento de aire a aire remoto y flujo de aire
El posenfriamiento de aire a aire (ATAAC) mantiene bajas las temperaturas de admisión de
aire y, junto con los componentes de tolerancia estrecha de la cámara de combustión,
aumentan al máximo la eficiencia de combustible y reducen al mínimo las emisiones. El flujo
del aire ha sido mejorado notablemente gracias al turbocompresor enfriado por agua, la culata
de flujo transversal y el árbol de levas elevado [II.4].
II.2.8.- Turbocompresión y posenfriamiento de aire a aire
Proporciona alta potencia con tiempos de respuesta rápidos, a la vez que mantiene bajas las
temperaturas del aire de admisión, para proporcionar largas horas de operación continua.
II.2.9.- Servicio
Con tareas de mantenimiento y reparación más sencillas mediante el seguimiento de las
funciones clave y el registro de los indicadores principales, es posible el acceso de diagnóstico
electrónico con una sola herramienta, el Técnico Electrónico (ET) de Caterpillar [II.6].
Capítulo II 33
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
II.3.- Controles de la dirección y del accesorio
Los controles electrohidráulicos del accesorio permiten reducido esfuerzo del operador en las
operaciones de explanación y desgarramiento. La selección de marcha y de dirección en un
sistema de control con una mano aumenta la comodidad del operador. Las funciones de
control de bajo esfuerzo reducen considerablemente el cansancio del operador y le permiten
obtener un mayor rendimiento.
II.3.1.- Control de la dirección
El control de timón de torsión doble con dirección diferencial estándar controla la dirección y
el grado de giro, el cambio de avance retroceso y la selección de velocidad en una manija de
control simple, aumentando la comodidad del operador [II.7]
II.3.2.- Control electrónico del desgarrador
Dispone de un asidero de montaje rígido, con controles en la punta de los dedos y del pulgar
de bajo esfuerzo, que proporciona un soporte y un control firmes del desgarrador cuando
funciona en condiciones difíciles. Las características programables como levantamiento
automático, vástago fuera y almacenamiento automático aumentan la eficiencia para el
operador [II.8].
Figura II.3.- Desgarrador (ripper) para bulldozer D8T Caterpillar
II.3.3.- Control electrónico programable de la hoja topadora
Se pueden ajustar y fijar características como la respuesta de la hoja y la posición libre y
automática de la hoja, usando el tablero de Diagnóstico. Las opciones de Auxiliar Automático
de la Hoja (ABA) y de Acarreo Automático aumentan la eficiencia del tractor en aplicaciones
específicas.
Capítulo II 34
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
II.3.4.- Palanca de control de la herramienta de implemento.
Palanca de control electrónico de bajo esfuerzo de la hoja topadora que permite al operador
controlar todas las funciones de la hoja topadora con una mano. El movimiento hacia adelante
y hacia atrás de la palanca baja y sube la hoja. El movimiento a la derecha y a la izquierda
inclina la hoja cambiando su dirección. Cuando está equipado con la característica de
Inclinación Doble optativa, la palanca de pulgar en la parte superior de la manija controla la
inclinación vertical hacia adelante y hacia atrás de la hoja. El interruptor de gatillo cambia
entre inclinación doble y simple. Los botones de accionamiento con el pulgar del lado derecho
e izquierdo proporcionan control de las funciones semiautomáticas de inclinación vertical de
la hoja, que proporciona el accesorio de inclinación doble. La inclinación vertical de la hoja
para carga y transporte y los segmentos de esparcido pueden preestablecerse en el sistema de
Diagnóstico y son controlados por los botones. El botón del lado izquierdo realiza el ciclo
entre los valores de inclinación vertical para cada segmento del ciclo de empuje. El botón del
lado derecho cancela las funciones de inclinación vertical sin perder los ángulos de inclinación
vertical prefijados. La característica de Auxiliar Automático de la Hoja (ABA) se conecta o
desconecta usando un interruptor en el lado derecho de la consola. Los dos botones también
proporcionan control del accesorio de control de la hoja del AccuGrade si la máquina está
equipada con este accesorio. Los botones que conectan el AccuGrade proporcionan control de
aumento y disminución manual y la desconexión del AccuGrade [II.9].
II.3.5.- Inclinación Vertical Automática
El ajuste preliminar de los ángulos de inclinación vertical de la hoja permite un rendimiento
óptimo durante el ciclo de explanación: un ajuste por cada carga, transporte, esparcido y
retorno. La Inclinación Vertical Automática es activada en el teclado del Sistema de
Diagnóstico; el operador puede seleccionar el segmento de explanación pulsando el botón
amarillo del lado izquierdo de la palanca de la hoja topadora [II.9].
II.3.6.- Opción Lista para AccuGrade (ARO)
La Opción Lista para AccuGrade (ARO) consta de una plataforma interior instalada en fábrica
para la instalación del sistema láser AccuGrade o el sistema GPS AccuGrade. Todos los
cambios requeridos en el sistema eléctrico, sistema hidráulico, hoja y cabina están
incorporados en ARO (Opción Lista para AccuGrade) [II.9].
Capítulo II 35
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Los soportes de montaje añadidos a la hoja permiten la instalación fácil de los mástiles. El
montaje de consola en la cabina asegura la pantalla en la cabina. Los puntos de conexión
dentro de la cabina y en la parte delantera de la máquina facilitan la instalación de
componentes electrónicos.
II.3.7.- Sistema de Movimiento de Tierras Asistido por Computadora (CAES)
Este plano electrónico de la obra a bordo de la máquina indica a los operadores, en tiempo
real, dónde cortar y rellenar. El mapa gráfico del plano del diseño y las vistas de las posiciones
horizontal y vertical de la máquina simplifican la operación y aumentan la producción [II.10].
Figura II.4.- Pantalla del CAES
Esta herramienta de información avanzada combina la tecnología GPS (a nivel de centímetros)
y las capacidades de computación en la cabina para lograr un control preciso de pendiente y
rasante. Ha demostrado que proporciona un impacto mensurable en la calidad del trabajo y
productividad general [II.10].
II.3.8.- Palanca de control del desgarrador
Dispone de una empuñadura de montaje rígido que proporciona un soporte firme para el
operador incluso al desgarrar terrenos más accidentados. La palanca del pulgar de bajo
esfuerzo controla la subida y bajada. La palanca del pulgar controla la posición hacia adentro y
hacia afuera del desgarrador. El botón del pulgar sube automáticamente el desgarrador.
Capítulo II 36
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
II.3.9.- Sistema de control del timón
Con una sola palanca universal se controla la velocidad, el sentido de la marcha y la dirección.
El sistema ECB permite que el operador trabaje con más precisión en espacios estrechos,
alrededor de estructuras, obstáculos, estacas de agrimensor, otras máquinas y en áreas de
nivelación de acabado [II.11].
II.4.- Tren de impulsión
La servotransmisión controlada electrónicamente, la dirección de embrague/freno eficiente y
los mandos finales planetarios duraderos permiten una transferencia de potencia sorprendente
y una larga duración para asegurar la máxima productividad [II.12].
El tren de impulsión proporciona la eficiencia máxima en combinación con el motor C15 con
tecnología ACERT.
Figura II.5.- Tren de impulsión acoplado a motor
II.4.1.- Divisor de par
Un divisor de par de eficiencia alta con un rotor fijo proporciona multiplicación de par alta,
mientras protege el tren de impulsión de choques de par repentinos y de vibración [II.12].
II.4.2.- Sistema de dirección de diferencial
Un diferencial planetario hace girar la máquina acelerando una cadena y disminuyendo la
velocidad de la otra, mientras se mantienen ambas a plena potencia.
Capítulo II 37
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
• Tres conjuntos de engranajes planetarios:
• Dos conjuntos de engranajes planetarios (dirección e impulsión) conforman el
diferencial doble, que realiza las funciones de mando tradicionales (avance o
retroceso). A diferencia de las máquinas de la competencia, el diferencial también
realiza una función de dirección con la entrada desde el motor de dirección.
• Un tercer grupo de engranajes planetarios, el planetario de compensación está
dentro de la caja de la transmisión. Éste se conecta al diferencial doble, que
proporciona una diferencia de velocidad máxima entre los mandos finales derecho
e izquierdo durante un giro.
• Una bomba hidráulica especial de caudal variable.
• Un motor de la dirección de caudal fijo bidireccional.
• Engranajes de impulsión de la dirección de servicio pesado.
II.4.3.- Servotransmisión planetaria [II.13]
Dispone de tres velocidades de avance y tres velocidades de retroceso que utilizan embragues
enfriados por aceite de gran diámetro y alta capacidad.
• El sistema de modulación permite cambios de velocidad y dirección rápidos.
• El diferencial y la transmisión modular se deslizan en la caja trasera para facilitar el
servicio, aun con el desgarrador instalado.
• Enfriador de aceite a agua, que maximiza la capacidad de enfriamiento.
• El flujo forzado de aceite lubrica y enfría los conjuntos de embrague para prolongar
al máximo la vida útil del embrague.
Figura II.6.- Servotransmisión planetaria de tren de impulsión
Capítulo II 38
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
II.4.4.- Tracción en la barra de tiro frente a cambios de velocidad [II.13]
A medida que aumenta la carga en el tractor, el D8T ofrece capacidad de sobrecarga sin igual
y cambios más suaves a medida que se presenta la necesidad de hacer cambios de velocidad
con cargas variadas. La transmisión de tres velocidades de avance y tres de retroceso,
respaldada por la dirección de diferencial, ofrece excelentes velocidades de desplazamiento y
capacidad de dirección precisa con carga.
II.4.5.- Mandos finales elevados [II.11]
Aislados de los impactos producidos por el terreno y los equipos para prolongar la duración
del tren de fuerza.
• Los engranajes de mando de perfil convexo posibilitan un funcionamiento suave,
silencioso y de bajo mantenimiento.
• La lubricación por salpicadura y los sellos Duo-Cone prolongan la vida útil.
Figura II.7.- Mandos finales elevados desarrollados por Caterpillar en 1982
II.5.- Tren de rodaje [II.18]
El tren de rodaje con rueda motriz elevada de funcionamiento demostrado aísla los
componentes del tren de impulsión de los impactos del suelo. El tren de rodaje amortiguado
hace que haya una mayor superficie de las cadenas sobre el suelo para aumentar la tracción y
reducir el patinaje. Absorbe los impactos para lograr un desplazamiento más suave y prolongar
la vida útil de la máquina. El tren de rodaje con rueda motriz elevada Caterpillar está diseñado
para optimizar el equilibrio de la máquina y obtener el mejor rendimiento posible y vida útil
más larga.
Capítulo II 39
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura II.8.- Tren de rodaje con rueda motriz elevada
II.5.1.- Diseño con tren de rodaje amortiguado [II.18]
El diseño de tren de rodaje amortiguado absorbe las cargas de impacto para reducir la
transmisión de las mismas un máximo de un 50% en terreno poco uniforme.
II.5.2.- Suspensión con soportes basculantes [II.18]
La suspensión de los soportes basculantes se adapta bien al terreno para proporcionar hasta un
15% más de contacto con el terreno, especialmente en terrenos duros desiguales. Una mayor
tracción implica menos patinaje, mayor equilibrio y un desplazamiento más suave.
II.5.3.- Montaje de rodillo superior integrado [II.18]
El montaje de rodillo superior está fundido en el bastidor de los rodillos inferiores para
facilitar la adición de rodillos superiores optativos en la obra, si las condiciones lo exigen.
II.5.4.- Rodillos y ruedas guía [II.18]
Tienen sellos Duo-Cone simétricos que prolongan la vida útil del sello que evita la pérdida de
aceite y la entrada de tierra. Tienen anillos tóricos que mantienen el rendimiento en una amplia
gama de temperaturas. Se puede efectuar el servicio de rodillos y ruedas guía así como
reconstruirlos para aumentar su valor. Dispone de tapas de estilo contrafuerte que sujetan bien
los rodillos y ruedas guía a los soportes basculantes.
Capítulo II 40
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
II.5.5.- Bastidores de rodillos [II.18]
Los bastidores de rodillos son tubulares para resistir la flexión y torsión, con un refuerzo
adicional en los lugares en que las cargas de operación son mayores.
• Los bastidores de rodillos se sujetan al tractor por medio de un eje pivote y una
barra compensadora empernada.
• Los bujes grandes del eje pivote funcionan dentro de un depósito de aceite.
• Se utiliza un buje de baja fricción, libre de mantenimiento, en la conexión de la
montura.
• Alineado para usar una mayor cantidad del material de desgaste, haciendo
funcionar las cadenas en la parte exterior de los rodillos en velocidades de avance y
en la parte interior en velocidades de retroceso.
II.5.6.- Segmentos de ruedas motrices [II.18]
Hechos exclusivamente de Tough Steel (acero duro) de Caterpillar para prolongar la vida útil
y maquinados con precisión después de un tratamiento térmico para lograr un ajuste
apropiado. Los segmentos pueden quitarse o reemplazarse sin romper la cadena. La cadena
sellada y lubricada con pasadores de retención firme, diseñada para aplicaciones de impactos y
cargas elevados. El diseño exclusivo de pasadores de retención firme de Caterpillar traba el
eslabón en el pasador. Las zapatas de cadena, se dispone de zapatas de cadena en una amplia
variedad de tamaños y estilos para adaptarse mejor a las condiciones de trabajo.
II.6.- Estructura [II.11]
El bastidor principal es pesado, fuerte y duradero. Las secciones en caja completas, las piezas
de acero fundido y los rieles de laminación continua proporcionan un soporte duradero al tren
de rodaje amortiguado, mandos finales elevados y otros componentes integrales del bastidor.
Están diseñadas para proporcionar la durabilidad y el soporte firme necesarios para una
producción y vida útil máximas en las condiciones más exigentes de trabajo.
II.6.1.- Resistencia del bastidor principal
El bastidor principal del tractor D8T está diseñado para absorber cargas y fuerzas de torsión
de alto impacto.
Capítulo II 41
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura II.9.- Bastidor principal
II.6.2.- Rieles del bastidor
Sección en caja completa, diseñada para mantener los componentes alineados rígidamente.
II.6.3.- Fundiciones de acero pesado [II.11]
Confieren mayor resistencia a la caja principal, soporte de la barra compensadora, travesaño
delantero y muñón con tirante estabilizador.
II.6.4.- Rieles superior e inferior
Secciones de laminación continua sin maquinado ni soldadura que prolongan la duración del
bastidor principal.
II.6.5.- Caja principal [II.13]
Eleva los mandos finales muy por encima del área de trabajo a nivel del suelo para protegerlos
contra las cargas de impacto, la abrasión y los contaminantes.
II.6.6.- Eje pivote [II.13]
El eje de pivote del D8T atraviesa el bastidor principal y se conecta con los bastidores de
rodillos para permitir una oscilación independiente. El eje pivote de longitud completa
distribuye las cargas de impacto en toda la caja, lo cual reduce el esfuerzo de flexión sobre
ésta.
Capítulo II 42
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
II.6.7.- Barra compensadora [II.11]
La barra compensadora dispone de sellos de deslizamiento limitado y una junta lubricada por
aceite para mejorar la circulación del aceite. Topes forjados de tamaño grande que reducen el
desgaste del bastidor principal y prolongan la duración de las juntas selladas.
II.6.8.- Tirante estabilizador [II.11]
El tirante estabilizador acerca más la hoja a la máquina para obtener un control más preciso de
explanación y carga. El diseño con tirante estabilizador proporciona una buena estabilidad
lateral y mejores posiciones en los cilindros para obtener una fuerza de desprendimiento
constante, independientemente de la altura de la hoja.
II.7.- Herramientas de implemento [II.14]
Diferentes herramientas como las hojas de tractor topador, desgarradores, cabrestantes y
otras opciones le permiten adaptar el D8T a sus aplicaciones en específico, permitiéndole así
ser más productivo. Las herramientas de la máquina y las herramientas de corte Caterpillar
ofrecen la flexibilidad para adaptar la máquina al material y a las condiciones de trabajo.
II.7.1.- Hojas topadoras [II.8]
Todas las hojas tienen un diseño fuerte de sección en caja que resiste los movimientos de
torsión y agrietamiento. Las hojas están hechas de acero Caterpillar DH-2 con alta resistencia
a la tracción que resiste las aplicaciones más rigurosas. Vertedera de construcción pesada y
cuchillas y cantoneras endurecidas empernadas que confieren resistencia y durabilidad.
II.7.1.1.- Hoja semiuniversal [II.8]
La hoja semiuniversal está hecha para aplicaciones rigurosas en que la penetración es más
importante que la capacidad. La hoja “SU” es más agresiva para penetrar y cargar material
que la hoja “U” . Los flancos de la hoja se han diseñado para lograr una mayor retención de la
carga y penetrar en materiales muy compactados, así como para aplicaciones de acabado.
También se puede equipar con una plancha de empuje para traíllas de carga por empuje.
Capítulo II 43
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura II.10.- Herramienta de implemento semiuniversal SU
La herramienta de implemento Semiuniversal SU combina las deseables características de las
herramientas recta S y la universal U en un paquete. Se ha aumentado capacidad mediante la
adición de alas cortas que incluyen cantoneras y cuchillas.Las alas proporcionan una mejor
retención de capacidad de carga, manteniendo la capacidad de la hoja de penetrar y cargar
rápidamente materiales muy compactados y manejar una amplia variedad de materiales. La
inclinación del cilindro aumenta tanto la productividad y la versatilidad de esta herramienta.
Equipado con una placa de empuje, es efectivamente utilizada para traíllas de carga de
empuje.
II.7.1.2.- Hoja universal [II.8]
La hoja universal de gran capacidad ofrece una capacidad máxima y es perfecta para mover
cargas grandes a largas distancias. La hoja U tiene amplios flancos y es ideal para trabajos de
apilamiento, recuperación de terrenos, alimentación de tolvas o amontonamiento para
cargadores. En la hoja Universal U, las alas grandes de esta herramienta incluyen en un
extremo cantoneras y al menos una sección de filo de corte que las convierten en eficientes
para mover grandes cargas sobre largas distancias, como en la recuperación de tierra, la carga
de las tolvas y la captura para los cargadores. Como esta hoja tiene una potencia de baja /
metro (HP/pie) de corte diferente al borde de una recta S o semiuniversal SU, la penetración
no debe ser un objetivo primordial. Con un kW/Lm3 inferior (HP / LCY) que una recta S o
Capítulo II 44
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
semiuniversal SU, esta hoja tiene relativa facilidad para mover el material. Si está equipado
con una inclinación de cilindros pueden utilizarse una hoja universal utilizada para apalancar
a cabo, el nivel, corte zanjas y dirigir el tractor.
II.7.2.- Inclinación doble optativa
Mejora el control de carga y permite al operador optimizar el ángulo de inclinación vertical de
la hoja para cada parte del ciclo de explanación.
II.7.3.- Cuchillas y cantoneras [II.8]
Las cuchillas son de acero DH-2. Las cantoneras son de acero DH-3 para proporcionar una
vida útil máxima con materiales difíciles.
II.7.4.- Desgarradores
Los desgarradores de un solo vástago y de múltiples vástagos están diseñados para penetrar
rápidamente los materiales resistentes y desgarrar diversos materiales.
II.7.4.1.- Desgarrador con un vástago [II.8]
El operador puede ajustar la profundidad del vástago desde el asiento mediante un extractor de
pasadores de un vástago optativo. El orificio grande del bastidor superior aumenta la
visibilidad de la punta del desgarrador. Las barras espaciadoras termotratadas en el portador
del desgarrador prolonga la duración de las cavidades y reduce la formación de muescas de
los vástagos. Se dispone de un vástago de una pieza en la configuración para desgarramiento
profundo.
II.7.4.2.- Desgarrador con vástagos múltiples
Permite adaptar el tractor al material usando uno, dos o tres vástagos.
II.7.5.- Sistema hidráulico [II.13]
El D8T se caracteriza por tener un sistema hidráulico con detección de carga, probada en el
campo, que responde a los requisitos de operación, ajustando continuamente la potencia
hidráulica, para maximizar la eficiencia de la máquina y del operador.
Capítulo II 45
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
II.7.6.- Contrapesos traseros.
Proporcionan el equilibrio apropiado del tractor para aumentar al máximo la producción de
explanación. Se recomienda si no está equipado con ningún otro accesorio.
II.8.- Capacidad de servicio [II.6]
Minimiza el mantenimiento y el tiempo muerto debido a reparaciones. Nuevas mirillas y
ubicaciones de filtros, acceso mejorado a los orificios de muestreo de aceite y refrigerante, y
una luz de trabajo montada en el compartimiento del motor hacen que el servicio periódico y
diario sea más rápido y fácil. Equipado con hoja topadora y desgarrador, tiene solamente 18
puntos de lubricación.
II.8.1.- Filtro de aceite del motor [II.15]
Los filtros de aceite del motor están ubicados en el motor para facilitar el acceso de servicio y
reducir al mínimo el tiempo muerto. Se economiza tiempo con los accesorios de cambio de
aceite rápido optativo.
II.8.2.- Separador de agua y filtro de combustible [II.16]
De fácil acceso, se localiza dentro del panel de acceso del motor, el separador de agua
funciona como un filtro de combustible primario, justo delante del filtro de combustible
secundario.
II.8.3.- Conexiones de desconexión rápida.
Las conexiones de desconexión rápida facilitan el diagnóstico de los sistemas de aceite del
tren de fuerza, hidráulico y de los accesorios.
II.8.4.- Análisis S.O.S. [II.15]
Muestreo programado de aceite más sencillo a través de orificios de muestreo activos para el
aceite del motor, sistema hidráulico y refrigerante.
II.8.5.- Product Link PL300 de Caterpillar [II.17]
Esta opción permite obtener el diagnóstico e información de ubicación de la máquina a
distancia. Product Link PL300 proporciona actualizaciones de horas de servicio, estado de la
Capítulo II 46
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
máquina y ubicación de la máquina así como diagramas integrados/planificación de rutas. La
flexibilidad incorporada permite el desarrollo futuro de la tecnología.
II.8.6.- Respaldo al equipo [II.17]
Se planea un servicio de mantenimiento eficaz antes de adquirir los equipos y elije entre la
amplia gama de servicios de mantenimiento del fabricante cuando adquiere una máquina.
Programas como el Servicio Especial de Cadenas (CTS), análisis S.O.S, análisis técnico y los
contratos de mantenimiento garantizados confieren un rendimiento y vida útil máximos a la
máquina.
II.8.7.- Componentes remanufacturados [II.17]
Las piezas remanufacturadas Caterpillar originales ahorran costos. Se recibe la misma
garantía y fiabilidad que obtiene en los productos nuevos con un ahorro del 40 al 70% en los
costos. Componentes disponibles para el tren de impulsión, el motor y el sistema hidráulico.
II.9.- Dimensiones del equipo [II.13]
Todas las dimensiones son aproximadas.
Figura II.11.- Dimensiones de bulldozer D8T Caterpillar
1.- Espacio libre sobre el suelo 618 mm / 24,3 pulg.
2.- Entrevía 2,08 m / 82 pulg.
Capítulo II 47
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
3.- Ancho sin muñones 2.642 mm / 8,7 pie (zapata estándar)
4.- Ancho sobre los muñones 3.057 mm / 10 pie
5.- Altura (hasta el tubo de 3.448 mm / 11,3 pie escape vertical)
6.- Altura (cabina FOPS) 3.456 mm / 11,34 pie
7.- Altura (ROPS / techo) 3.461 mm / 11,35 pie
8.- Altura de la barra de tiro 708 mm / 27,87 pulg. (centro de la horquilla)
9.- Longitud de la cadena sobre 3.207 mm / 126,26 pulg. el terreno
10.- Longitud total del tractor 4.641 mm / 15,2 pie básico
11.- Longitud del tractor básico 4.998 mm / 16,4 pie con barra de tiro
12.- Longitud del tractor básico 5.275 mm / 17,3 pie con cabrestante
13.- Longitud con hoja SU 6.091 mm / 20 pie
14.- Longitud con hoja U 6.434 mm / 21,1 pie
15.- Longitud con hoja A 6.278 mm / 20,6 pie
16.- Longitud con desgarrador 6.422 mm / 21 pie de un vástago
17.- Longitud con desgarrador 6.344 mm / 20,8 pie de vástagos múltiples
18.- Longitud total (hoja 7.872 mm / 25,8 pie SU/Desgarrador SS)
II.10.- Selección de la herramienta de implemento [II.19]
Para el tractor la herramienta de implemento correcta es un elemento básico para maximizar la
producción. Consideremos en primer lugar el tipo de trabajo que el tractor realizará durante su
vida.
II.10.1.- Materiales a mover [II.19]
El rendimiento de la herramienta de implemento variará con respecto a las características del
material tales como:
• Tamaño de partícula y forma, cuanto mayor sea el tamaño de partícula, más difícil
es para un filo de penetrar. Las partículas con bordes afilados resisten a la acción de
la hoja. Estas partículas necesitan más potencia para ser movidas de un volumen
similar de material con bordes redondeados.
• Los pocos huecos vacíos o la ausencia de huecos significa que las partículas
individuales tienen la mayoría o toda su superficie o área en contacto con otras
Capítulo II 48
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
partículas. Esto forma un enlace que debe romperse. Un material bien granulado,
que carece de huecos, es generalmente pesado, y difícil de mover.
• Contenido de agua, en la mayoría de los materiales con falta de humedad aumenta
el vínculo entre las partículas y hace a que el material sea difícil de mover. Un alto
contenido de humedad hace a que sea difícil de mover porque el material es pesado
y requiere más fuerza para ser movido. Un óptimo estado de humedad reduce el
polvo y ofrece las mejores condiciones para la explanación y la facilidad de
movimiento.
• El efecto de la congelación depende del contenido de humedad, una vez congelado,
el material fortalece su unión a medida que aumenta el contenido de humedad y la
temperatura disminuye. Sin embargo, la congelación de un material completamente
seco no cambia sus características. Una indicación de la capacidad de una cuchilla
para penetrar y obtener una carga de la hoja es el kW por metro (o caballos de
fuerza por pie) de borde de corte. Cuanto mayor sea el kW / metro (HP / pie), el
más agresivo el corte de la hoja. Kilovatio por Lm3 (caballos de fuerza por metro
cúbico suelto) indica una hoja de su capacidad para empujar el material. Cuanto
mayor sea el kW/Lm3 (HP / LCY), mayor potencial la hoja tendrá para llevar
material a una velocidad mayor.
II.10.2.- Limitaciones del equipo [II.19]
El peso y la potencia de la máquina determinan su capacidad de empuje. Un tractor no puede
ejercer más fuerza para impulsar que la que su propio peso y tren de potencia se puede
desarrollar. Varios terrenos y condiciones en el trabajo limitan la capacidad del tractor para
hacer valer su peso y potencia. Una aproximación es el "coeficiente de tracción de los factores
de carga”, se presentan estos factores de tracción para los materiales más comunes. Para el
uso de estos valores se toma el total del peso del equipo por el factor de empuje útil máximo
que la hoja topadora puede ejercer.
II.11.- Medición de la producción fuera del trabajo [II.19]
Se puede estimar la producción del bulldozer con las curvas de producción que siguen y los
factores de corrección que son aplicables. Producción (Lm3/h) ó (LCY / h) = Máxima
producción X factores de corrección. Las curvas de producción del bulldozer dan la máxima la
Capítulo II 49
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
producción sin corregir para la herramienta universal, semiuniversal, y hojas rectas y se basan
en las siguientes condiciones:
1. 100% de eficiencia (60 horas minutos por hora, nivel de ciclo).
2. Máquinas con poder de desplazamiento con 0.05 min. tiempo fijo.
3. Cortes de máquina para 15 m (50 pies), se desplaza carga de la hoja para volcar
sobre un alto muro ( desperdicio de tiempo 0 s.).
4. La densidad del suelo de 1370 kg/Lm3 (2300 lb / LYC).
5. Coeficiente de tracción:
a) Máquinas de cadenas 0.5 o superior
b) Máquinas de ruedas 0,4 o superior
6. Herramientas empleadas controladas hidráulicamente.
7. Para obtener una producción estimada en el banco cúbico en metros o metros
cúbicos de banco, el factor de carga adecuada de la sección de cuadros se debe
aplicar a la producción corregida calculado anteriormente. Producción Bm3/h ó
(BCY / h) = Lm3/h ó (LCY / h) X LF.
Figura II.12.- Producción estimada para hojas semiuniversales de equipos D6N a D11R
Capítulo II 50
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura II.13.- Producción estimada para hojas universales de equipos D6N a D11R
Figura II.14.- Producción estimada para hojas rectas de equipos D6N a D11R
Capítulo II 51
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
II.11.1.- Producción promedio por hora del bulldozer D8T con herramienta de
implemento semiuniversal [II.19]
Para determinar la producción promedio por hora de un D8T/8SU (con cilindro de inclinación)
que se mueve de arcilla apisonada un promedio distancia de 45 m (150 pies) hasta un grado
del 15%, con una ranura de explanación técnica. Peso del material estimado es de 1600
kg/Lm3 (2650 lb / LCY). El operador es un individuo promedio, y el trabajo de eficiencia se
estima en 50 min / h.
La producción máxima sin corregir es 458 Lm3 / h (600 LCY / h).
Factores aplicables de corrección:
Arcilla apisonada = 0.80
Corrección de Grado = 1.30
Ranura de explanación = 1.20
Operador promedio = 0.75
Eficiencia en el trabajo (50 min / h) = 0.83
Corrección de peso (2300/2650) = 0.87
Producción = Máxima producción X Factores de corrección
= (600 LCY/ h) (0.80) (1.30) (1.20) (0.75) (0.83) (0.87) = 405.5 LCY / h
Para obtener una producción en unidades métricas, el mismo procedimiento se utiliza
sustituyendo máxima sin corregir la producción en Lm3.
Producción = 458 Lm3 / h X Factores = 309,6 Lm3 / h
Figura II.15.- Porcentaje de pendiente de terreno contra factor de empuje
Capítulo II 52
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura II.16.- Factores de corrección para condiciones de trabajo
II.12.- Medición de la producción en el trabajo [II.19]
Tres métodos generalmente aceptados para medir la producción del bulldozer se enumeran a
continuación. El tercer método es empírico, pero es el más simple de llevar a cabo.
II.12.1.- El empleo de técnicas de reconocimiento [II.19]
a) Se realizar estudio de tiempo y luego la sección transversal el corte para determinar
el volumen de material eliminado. (Producción en Bm3 o BCY por unidad de
tiempo).
b) Realizar estudio de tiempo y luego una sección transversal de la llenar para
determinar el volumen de material de relleno. (Producción en Lm3 o LCY por
unidad de tiempo).
II.12.2.- Peso de cargas de la hoja [II.19]
Llevar a cabo estudios a tiempo y con un peso de material movido por bulldozer por el peso
del cargador de cargas de cubo.
Capítulo II 53
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
II.12.3.- Medición de cargas de la hoja [II.19]
a) Teniendo el bulldozer en operación.
• Recoger y transportar la carga en un área de nivel y detenerse.
• Levantar la hoja directamente sobre la pila tirando un poco hacia delante como la
hoja aparece, dejando una pila casi simétrica.
• Invertir para limpiar la pila.
b) Las mediciones
• La altura media (H) de la pila en pies. Mantenga la cinta vertical en el borde
interior
de cada marca de la garra. Vista a lo largo de la parte superior de la pila para
obtener la medida correcta.
• La anchura media (W) de la pila en pies. Mantenga la cinta horizontal sobre la pila
y de la vista en el borde interior de cada garra marca y el lado opuesto
correspondiente de la pila.
• La mayor longitud (L) de la pila en pies. Mantenga la cinta horizontal sobre la pila
y de la vista en cada extremo de la pila.
c) Con las mediciones anteriores, ahora calcular la carga de la hoja.
• Promedio de medición de la altura (H)
• Promedio de la anchura de la medición (W)
• Carga (Lm3 o LCY) = 0.0138 X (HWL)
• Carga (Bm3 o BCY) = Lm3 o LCY X LF
d) Combinar la carga de la hoja con el tiempo calculado estudio para determinar la
producción.
Figura II.17.- Vistas superior y lateral de parámetros de pilas de material
Capítulo II 54
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
II.13.- Soportes de borde de corte para las herramientas de implemento [II.8]
El soporte de borde de corte es una parte integral de la estructura de la hoja a la cual los
bordes de corte y finales están atornillados. Estas placas de apoyo ofrecen los mismos
materiales de alta calidad y dimensiones de precisión que los originales de fábrica. Debido a la
naturaleza crítica de la conexión atornillada entre la hoja y las placas, está garantizada la
precisión dimensional.
II.13.1.- Descripción [II.8]
Estos soportes de borde de corte están disponibles para las hojas de bulldozer del D6R al
D11R. El soporte de borde de corte es una parte integral de la estructura de la hoja que se
monta en los bordes de corte de cuchillas y cantoneras. El filo de apoyo de corte consiste de
una sola pieza de forma recta y en ángulo. Las cuchillas universales y semiuniversales utilizan
un sistema de soporte de corte en borde que consta de un soporte en el centro junto con otro
apoyo para los lados derecho e izquierdo.
II.13.2.- Características y Beneficios [II.8]
El soporte de borde de corte proporciona una estructura a la que se atornillan el borde de corte
y el final. Prolongada la operación con la pérdida de apriete con piezas sueltas sujetadas con
tornillos puede alargar los agujeros de montaje en el soporte. Esto hace cada vez más difícil
mantener las estructuras apretadas. Repetidamente las estructuras también se debilitan, como
es el caso del soporte alrededor de los orificios de los pernos. Si los finales y cantoneras no se
reponen pronto, graves desgastes y daños pueden ocurrir al soporte de borde de corte.
II.13.3.- Instrucciones de instalación [II.8]
El posicionamiento preciso y la soldadura de un nuevo soporte son críticos. Las dimensiones
para el ángulo apropiado (U) y distancia (X) desde el centro del agujero de perno en el agujero
del perno borde de corte para que el borde inferior de la vertedera se encuentran en la
ilustración 2) (dimensiones críticas). Para los apoyos finales, la distancia (X) es desde el
centro del agujero de perno en la fila inferior hasta el borde inferior de la vertedera. El
incumplimiento de estas dimensiones podría dar lugar a un desgaste y rendimiento
inadecuado. Todos los refuerzos y apoyos estructurales que se han eliminado deben ser
Capítulo II 55
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
reemplazados. Se utiliza la barra de soldadura E7018 o un equivalente para todas las
soldaduras.
Figura II.18.- 1) Identificación de partes, 2) Dimensiones críticas
II.13.4.- Cantoneras [II.8]
Tienen un diseño contorneado que coincide con el espesor de corte borde en el área del
agujero de perno y son los más gruesa en el llevan área que se extiende más allá del apoyo.
Este material de desgaste adicional ofrece una excelente punta en relación de desgaste
abrasivo en condiciones y proporciona una vida más larga de los finales. Coinciden con la
profundidad de corte de los bordes y protegen la esquina de la cuchilla en bajo impacto, con
materiales de baja abrasión. Endurecidas en acero DH-2 placa. Tienen un diseño de placa
plana para su uso en aplicaciones de protección de la esquina para alto impacto y materiales de
alta abrasión.
II.13.5.- Finales de hoja [II.8]
Este es un sistema de tres piezas con un borde central 2 3/8 "(60 mm) de espesor, y
derecha e izquierda de fin de borde / fin que son 4 3/4 "(120 mm) de espesor. La cara final está
hecha de 2 3/8 "(60 mm) de grosor, soldadas entre sí en la posición final. Las opciones de
servicio pesado se hacen de DH-2 de la placa plana de las secciones que son endurecidas para
mayor resistencia y capacidad de abrasión / impacto donde la penetración y resistencia al
Capítulo II 56
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
desgaste son necesarios, tales como arcilla dormitando, arcilla, limo, arena,
y la grava. Cuenta con un ángulo de 16 grados para una mejor penetración.
II.13.6.- Sujetadores roscados [II.8]
La última generación cumple o excede los requisitos de SAE Grado 8 sujetadores roscados.
Las cabezas de los tornillos son en forma de cúpula para mayor resistencia y
resistencia al desgaste. Son endurecidos para que coincidan con la fuerza de los pernos.
II.13.7.- Placas de desgaste [II.8]
El uso de platos y placas de empuje proporcionan una forma económica para prolongar la vida
útil de la herramienta de implemento. Ambos tipos de placas están formadas de aleación de
alta resistencia de acero. Están curvados para adaptarse al contorno de la vertedera y son
fácilmente unidos con soldadura de filete.
a) Placas de desgaste. Se utiliza para reparar los daños en pequeñas áreas o para
recubrir una vertedera entero. En condiciones de impacto extremadamente
abrasivas o graves, puede ser incluso deseable la instalación de placas de desgaste
de tractores nuevos antes de que se pongan en servicio.
b) Placas de empuje. Placas de pulsadores son instalados en tractores utilizados para el
doble propósito de la carga de empuje y raspadores.
II.13.8.- Barras de desgaste [II.8]
Las barras de desgaste proporcionan una protección adicional de la hoja en aplicaciones
altamente abrasivas donde la vida de la vertedera es corta. Las barras de desgaste son
diseñadas para ser soldadas en la parte superior del revestimiento hoja normal. La soldadura
en la parte superior del revestimiento de cuchilla elimina la posibilidad de quema a través de la
superficie de la hoja de empuje y generar reparaciones. La colocación de los barras de
desgaste en la parte superior de un revestimiento también desarrolla una hoja más fuerte.
Las barras de desgaste para bulldozer están hechas de DH-2 de aleación de acero, a través de
endurecido para una mayor resistencia al desgaste y resistencia. La dureza del núcleo de las
barras será entre 45-52 Rc (2,7-3,0 BR). Si las barras son para corte con soplete, la zona de
Capítulo II 57
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
combustión debe ser precalentada a 302-446 ° F (150-230 ° C). También se recomienda para
precalentar las barras a 302-446 ° F (150-230 ° C) de temperatura durante la soldadura en la
parte superior del revestimiento. Las barras se colocan de modo que el bisel está al lado del
revestimiento.
II.14.- Sumario
En este capítulo se aborda un conjunto de conocimientos correlacionados, los cuales fungen
principalmente el fincar las bases teóricas del presente trabajo de investigación.
Primordialmente son ubicados los conocimientos derivados del funcionamiento y procesos
desarrollados por el equipo de maquinaria pesada en cuestión.
Además, son abordadas concepciones relacionadas a tecnologías involucradas en la totalidad
del equipo, pero que sin embargo, generan influencia colateral directamente involucrada al
elemento de estudio, es decir, para este caso la denominada herramienta de implemento.
Entre los componentes requeridos para el desarrollo y funcionamiento pleno del equipo de
maquinaria pesada, se visualiza una amplia gama de recursos tecnológicos orientados hacia
tal objetivo, entre los que encontramos básicamente, aquellos que darán motricidad al equipo,
la propia herramienta de implemento, aquellos elementos transformadores de energía, las
composiciones y aditamentos estructurales, así como aquellos desarrollados de última
generación siendo básicamente electrónicos, entre una diversidad de elementos involucrados.
Consecuentemente, en el siguiente capítulo, será desarrollada la etapa de análisis del
comportamiento estructural de acuerdo a las condiciones halladas o generadas a partir del
elemento de estudio, incorporando y auxiliándose de importantes herramientas como en el
caso del Método del Elemento Finito, a partir diversos factores tales como geometrías,
propiedades estructurales de los materiales, entre otras.
II.15.- Referencias
1.- Caterpillar Inc., C15 for Fleet and Line Haul Performance , Peoria Illinois, U.S.A., Ed.
Caterpillar Inc., pp 6, 2007.
2.- Caterpillar Inc., Industrial Engine Ratings Guide - Tier 4 / Stage IIIA and Beyond, Peoria
Illinois, U.S.A., Ed. Caterpillar Inc., pp 46, 2012.
Capítulo II 58
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
3.- Caterpillar Inc., C15 on Highway Diesel Engine with ACERT Technology , Peoria Illinois,
U.S.A., Ed. Caterpillar Inc., pp 7, 2007.
4.- Caterpillar Inc., Cat Next Generation Diesel Generator Sets: C15 and C18, Peoria Illinois,
U.S.A., Ed. Caterpillar Inc., pp 12, 2012.
5.- Reis, A. V., Machado, T. y Tillman, A., De Moraes : Motores, Tratores, Combustíeis e
Lubricantes, Brasil, Ed. UFPel., pp 315, 2002.
6.- Ochoa U. H. E., Manual de Administración de Equipos, Dirección General de Caminos,
Ministerio de Comunicaciones, Transporte y Obras Publicas, Guatemala, Ed. Limusa S.A.
de C.V., Roy Jorgensen Assoc. Inc., pp 213,1983.
7.- Briosa, C. F., Manual de Seguridad - Tractores y Maquinaria Agrícola, España, Ed.
Limusa S.A. de C. V., pp 135, 1998.
8.- Caterpillar Inc., Ground Engaging Tools, Edition 10th, Peoria Illinois, U.S.A., Ed.
Caterpillar Inc., 2011.
9.- Caterpillar Inc., Accugrade Grade Control System for Track-Type Tractors Work Tool
Atachments, Peoria Illinois, U.S.A., Ed. Caterpillar Inc., pp 24, 2012.
10.- Caterpillar Inc., Computer Aided Earthmoving System (CAES)-Landfill, Peoria Illinois,
U.S.A., Ed. Caterpillar Inc., pp 6, 2003.
11.- Caterpillar Inc., D8T, D9T, D10 Waste Handle, Peoria Illinois, U.S.A., Ed. Caterpillar
Inc., pp 16, 2007.
12.- Kenneth, D. y Lee, S., International Harvester, McCormick, Navistar : Milestones in the
Company that Helped Build America, Portland, U.S.A., Ed. Graphic Arts Books, pp 252,
2007.
13.- Caterpillar Inc., D8T Track TypeTractor , Peoria Illinois, U.S.A., Ed. Caterpillar Inc., pp
20, 2011.
14.- Caterpillar Inc., Work Tool Atachments , Peoria Illinois, U.S.A., Ed. Caterpillar Inc., pp
24, 2012.
15.- Caterpillar Inc., Productos de Mantenimiento Preventivo, como Tomar una Buena
Muestra de Aceite, Peoria Illinois, U.S.A., Ed. Caterpillar Inc., pp. 2, 1997.
16.- Caterpillar Inc., Recomendaciones de Fluidos para Maquinas Caterpillar, Peoria Illinois,
U.S.A., Ed. Caterpillar Inc., pp 23, 2004.
17.- Duffuaa, R. D., Sistemas de Mantenimiento Planeación y Control, México, Ed. Limusa
S.A. de C.V., pp 419, 2006.
Capítulo II 59
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
18.- Caterpillar Inc., Undercarriage Systems and Components, Peoria Illinois, U.S.A., Ed.
Caterpillar Inc., pp 16, 2007.
19.- Caterpillar Inc., Caterpillar Performance Handbook, Edition 38, Module 1, Track-Type
Tractors, Peoria Illinois, U.S.A., Ed. Caterpillar Inc., 2008.
CAPÍTULO III
ANÁLISIS NUMÉRICO
ELÁSTICO PARA
HERRAMIENTA DE
IMPLEMENTO
Capítulo III 61
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
III.1.- Introducción al Método del Elemento Finito (MEF ) [III.1]
El método de los elementos finitos (MEF) ha adquirido una gran importancia en la solución de
problemas ingenieriles, físicos, etc., ya que permite resolver casos que hasta hace poco tiempo
eran prácticamente imposibles de resolver por métodos matemáticos tradicionales. Esta
circunstancia obligaba a realizar prototipos, ensayarlos e ir realizando mejoras de forma
iterativa, lo que traía consigo un elevado coste tanto económico como en tiempo de desarrollo.
El MEF permite realizar un modelo matemático de cálculo del sistema real, más fácil y
económico de modificar que un prototipo. Sin embargo no deja de ser un método aproximado
de cálculo debido a las hipótesis básicas del método. Los prototipos, por lo tanto, siguen
siendo necesarios, pero en menor número, ya que el primero puede acercarse bastante más al
diseño óptimo.
Figura III.1.- Discretización del continuo
El método de los elementos finitos como formulación matemática es relativamente nuevo,
aunque su estructura básica es conocida desde hace bastante tiempo. En los últimos años ha
sufrido un gran desarrollo debido a los avances informáticos. Precisamente estos avances
informáticos los que han puesto a disposición de los usuarios gran cantidad de programas que
permiten realizar cálculos con elementos finitos. Sin embargo, el manejo correcto de este tipo
de programas exige un profundo conocimiento, no sólo del material con el que se trabaja, sino
también de los principios del MEF. Sólo en este caso estaremos en condiciones de garantizar
que los resultados obtenidos en los análisis se ajustan a la realidad.
Capítulo III 62
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
III.1.1.- Breve historia del MEF [III.1]
Aunque el nombre del MEF se ha establecido recientemente, el concepto se ha usado desde
hace varios siglos. El empleo de métodos de discretizado espacial y temporal y la
aproximación numérica para encontrar soluciones a problemas ingenieriles o físicos es
conocido desde antiguo. El concepto de elementos finitos parte de esa idea.
Para encontrar vestigios de este tipo de cálculos se podría uno remontar a la época de la
construcción las pirámides egipcias. Los egipcios empleaban métodos de discretizado para
determinar el volumen de las pirámides. Arquímedes (287-212 a.C.) empleaba el mismo
método para calcular el volumen de todo tipo de sólidos o la superficie de áreas. En oriente
también aparecen métodos de aproximación para realizar cálculos. Así el matemático chino
Lui Hui (300 d.C.) empleaba un polígono regular de 3072 lados para calcular longitudes de
circunferencias con lo que conseguía una aproximación al número Pi de 3.1416.
El desarrollo de los elementos finitos tal y como se conocen hoy en día ha estado ligado al
cálculo estructural fundamentalmente en el campo aeroespacial. En los años 40 Courant1
propone la utilización de funciones polinómicas para la formulación de problemas elásticos en
subregiones triangulares, como un método especial del método variacional de Rayleigh-Ritz
para aproximar soluciones. Fueron Turner, Clough, Martin y Topp quienes presentaron el
MEF en la forma aceptada hoy en día. En su trabajo introdujeron la aplicación de elementos
finitos simples (barras y placas triangulares con cargas en su plano) al análisis de estructuras
aeronáuticas, utilizando los conceptos de discretizado y funciones de forma.
El trabajo de revisión de Oden presenta algunas de las contribuciones matemáticas importantes
al MEF. Los libros de Przemieniecki y de Zienkiewicz y Holister presentan el MEF en su
aplicación al análisis estructural. El libro de Zienkiewicz y Cheung o Zienkiewicz y Taylor
presenta una interpretación amplia del MEF y su aplicación a cualquier problema de campos.
En él se demuestra que las ecuaciones de los EF pueden obtenerse utilizando un método de
aproximación de pesos residuales, tal como el método de Galerkin o el de mínimos cuadrados.
Esta visión del problema difundió un gran interés entre los matemáticos para la solución de
ecuaciones diferenciales lineales y no lineales mediante el MEF, que ha producido una gran
cantidad de publicaciones hasta tal punto que hoy en día el MEF está considerado como una
Capítulo III 63
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
de las herramientas más potentes y probadas para la solución de problemas de ingeniería y
ciencia aplicada.
Actualmente el método se encuentra en una fase de gran expansión, es ampliamente utilizado
en la industria y continúan apareciendo cientos de trabajos de investigación en este campo.
Los ordenadores han aportado el medio eficaz de resolver la multitud de ecuaciones que se
plantean en el MEF, cuyo desarrollo práctico ha ido caminando parejo de las innovaciones
obtenidas en el campo de la arquitectura de los ordenadores. Entre éstas, además de permitir la
descentralización de los programas de EF, ha contribuido a favorecer su uso a través de
sofisticados paquetes gráficos que facilitan el modelado y la síntesis de resultados. Hoy en día
ya se concibe la conexión inteligente entre las técnicas de análisis estructural, las técnicas de
diseño CAD, y las técnicas de fabricación.
III.1.2.- Conceptos generales del MEF [III.1]
La idea general del método de los elementos finitos es la división de un continuo en un
conjunto de pequeños elementos interconectados por una serie de puntos llamados nodos. Las
ecuaciones que rigen el comportamiento del continuo regirán también el del elemento. De esta
forma se consigue pasar de un sistema continuo (infinitos grados de libertad), que es regido
por una ecuación diferencial o un sistema de ecuaciones diferenciales, a un sistema con un
número de grados de libertad finito cuyo comportamiento se modela por un sistema de
ecuaciones, lineales o no.
Figura III.2.- Condiciones de contorno, contorno y dominio
En cualquier sistema a analizar podemos distinguir entre:
condiciones de contorno
dominio
contorno
Capítulo III 64
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
• Dominio.- Espacio geométrico donde se va a analizar el sistema.
• Condiciones de contorno.- Variables conocidas y que condicionan el cambio del
sistema: cargas, desplazamientos, temperaturas, voltaje, focos de calor.
• Incógnitas.- Variables del sistema que deseamos conocer después de que las
condiciones de contorno han actuados sobre el sistema: desplazamientos, tensiones,
temperaturas.
El método de los elementos finitos supone, para solucionar el problema, el dominio
discretizado en subdominios denominados elementos. El dominio se divide mediante puntos
(en el caso lineal), mediante líneas (en el caso bidimensional) o superficies (en el
tridimensional) imaginarias, de forma que el dominio total en estudio se aproxime mediante el
conjunto de porciones (elementos) en que se subdivide.
Los elementos se definen por un número discreto de puntos, llamados nodos, que conectan
entre si los elementos. Sobre estos nodos se materializan las incógnitas fundamentales del
problema. En el caso de elementos estructurales estas incógnitas son los desplazamientos
nodales, ya que a partir de éstos podemos calcular el resto de incógnitas que nos interesen:
tensiones, deformaciones. A estas incógnitas se les denomina grados de libertad de cada nodo
del modelo. Los grados de libertad de un nodo son las variables que nos determinan el estado
y/o posición del nodo. Por ejemplo si el sistema a estudiar es una viga en voladizo con una
carga puntual en el extremo y una distribución de temperaturas.
Figura III.3.- Viga en voladizo con carga puntual en extremo
El discretizado del dominio puede ser:
F
T
Capítulo III 65
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura III.4.- Discretizado del dominio
Los grados de libertad de cada nodo serán:
• Desplazamiento en dirección x
• Desplazamiento en dirección y
• Giro según z
• Temperatura
El sistema, debido a las condiciones de contorno; empotramiento, fuerza puntual y
temperatura, evoluciona hasta un estado final. En este estado final, conocidos los valores de
los grados de libertad de los nodos del sistema podemos determinar cualquier otra incógnita
deseada: tensiones, deformaciones. También sería posible obtener la evolución temporal de
cualquiera de los grados de libertad. Planteando la ecuación diferencial que rige el
comportamiento del continuo para el elemento, se llega a fórmulas que relacionan el
comportamiento en el interior del mismo con el valor que tomen los grados de libertad
nodales. Este paso se realiza por medio de unas funciones llamadas de interpolación, ya que
éstas interpolan el valor de la variable nodal dentro del elemento. El problema se formula en
forma matricial debido a la facilidad de manipulación de las matrices mediante ordenador.
Conocidas las matrices que definen el comportamiento del elemento (en el caso estructural
serán las llamadas matrices de rigidez, amortiguamiento y masa, aunque esta terminología ha
sido aceptada en otros campos de conocimiento) se ensamblan y se forma un conjunto de
ecuaciones algebraicas, lineales o no, que resolviéndolas nos proporcionan los valores de los
grados de libertad en los nodos del sistema.
nodos
elementos
Capítulo III 66
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
III.1.3.- Funcionamiento del MEF [III.2]
Para poder entender de forma clara como es el estudio del MEF, podemos representarlo por
medio de un cuerpo que se analiza como un ensamble de bloques discretos o elementos. La
aplicación de dicho método consiste principalmente en realizar las divisiones en un número y
forma que permitan un análisis óptimo. Cada boque es analizado independiente de los demás y
se unen únicamente por medio de los nodos formando una malla. El número de elementos que
componen a la malla está determinado principalmente por la capacidad del ordenador con el
cual se está realizando el análisis y el grado de precisión que se desea obtener. Para poder dar
una explicación en la solución de problemas de tipo estructural, podemos decir que este tipo
de soluciones se basan en poder determinar los desplazamientos en cada nodo, al igual que los
esfuerzos generados entre cada elemento para conformar toda la estructura sujeta a las
diferentes fuerzas aplicadas, pero cabe mencionar que si los problemas a analizar no son de
tipo estructural, las variables nodales pueden ser otras; tales como la temperatura, presión u
otras características de cada problema.
Figura III.5.- Solución a problemas odontológicos con MEF
Debido a que hoy en día existe una gran cantidad de paqueterías que permiten la utilización
del MEF para la solución de problemas, lo que debemos tener muy claro es que antes de tener
el análisis debemos entender el comportamiento básico de nuestro cuerpo a modelar, los datos
que el software requiera para llevar a cabo su procesamiento, al igual que comprender y
Capítulo III 67
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
entender las técnicas de modelado para que así podamos tener una gran aproximación a
nuestro cuerpo de estudio, pero sin importar el software utilizado se tiene que seguir un
procedimiento similar para ingresar los datos, y así poder obtener resultados confiables y
coherentes.
III.1.4.- Formulación del MEF [III.2]
Para dar una breve explicación del MEF, se adopta los enfoques de la energía potencial y de
Galerink.
• Esfuerzos y desplazamientos. Un cuerpo tridimensional que ocupa un volumen V y
tiene superficies S. Los puntos en el cuerpo están identificados por las coordenadas
x,y,z. La frontera del cuerpo se restringe a la región donde se especifica el
desplazamiento. Sobre una parte de la frontera se aplica una fuerza distribuida por
unidad de área T, llamada también tensión. La deformación en un punto x está dado
por las tres componentes de su desplazamiento.
• Condiciones frontera. Refiriéndonos a un cuerpo en el que vemos que hay condiciones
de desplazamiento en la frontera y condiciones de carga en la superficie U se
especifica sobre parte de la frontera denotada por Su.
• Campo de desplazamiento. El concepto fundamental del MEF es que una función
continua puede aproximarse a un modelo discreto. Este se compone de uno o más
polinomios de interpolación y la función continua se divide en partes finitas llamadas
elementos. Cada uno de estos, se divide utilizando una función de interpolación para
describir su comportamiento dentro del elemento. La función de forma, generalmente
se denota con la letra N y el coeficiente que aparece en el polinomio de interpolación.
Es importante tomar en cuenta que una función de forma se escribe para cada nodo
individual de un elemento finito y tiene la propiedad de que su magnitud es 1 para el
nodo en cuestión, cero para los demás nodos del elemento.
• Energía potencial y equilibrio. Para problemas de geometrías complejas y condiciones
de frontera y de carga general, la obtención de tales soluciones es altamente difícil, Los
métodos de solución aproximada usualmente emplean métodos de energía potencial o
con variación, que imponen condiciones menos estrictas sobre las funciones.
Capítulo III 68
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
• Principio de Saint Venant. Con frecuencia tenemos que hacer aproximaciones al
definir condiciones de frontera para representar una interfaz soporte-estructura. El
Principio de Saint Venant establece que en tanto las diferentes aproximaciones sean
estrictamente equivalentes, las soluciones resultantes serán válidas en regiones bastante
alejadas del apoyo. Es decir, las soluciones pueden definir significativamente solo en la
vecindad inmediata del soporte.
• Esfuerzos de Von Mises. El esfuerzo de Von Mises se usa como criterio para
determinar la aparición de una falla en materiales dúctiles. El criterio de falla establece
que el esfuerzo de Von Mises debe ser menor que el esfuerzo de fluencia del material.
III.2.- Programa computacional Mechanical Desktop de diseño y modelado [III.3]
Actualmente, el aumento de las exigencias de los mercados, donde los fabricantes deben
presentar productos cada vez más adecuados a las necesidades del cliente es una realidad
cotidiana. Lo anterior conduce a la reducción de la serie y el aumento de modelos y variantes
de productos que cada empresa ofrece a sus potenciales clientes. Todo ello atraído aparejado
el replanteo de los métodos y las tecnologías utilizadas en el diseño de productos y procesos
de manufacturas.
La automatización de los métodos de fabricación es un hecho hoy en día. Cada vez más las
empresas computarizan sus procesos como consecuencia de una necesidad ineludible. Existen
todavía hoy la creencia errónea de que automatizar el diseño consiste simplemente en reducir
el tiempo empleado en obtener planos y especificaciones de fabricación, gracias a la
utilización de una serie de aplicaciones informáticas. El aprovechamiento de las posibilidades
de un sistema CAD/CAE implica un cambio radical de filosofía, un replanteamiento de la
forma de trabajo que exige un esfuerzo de cambio de mentalidad y de metodología.
El concepto de “Diseño Asistido por Computadora” (CAD-Computer Aided Design),
representa el conjunto de aplicaciones informáticas que permiten a un diseñador definir el
producto a fabricar. En un programa de delineación y dibujo de detalle 2D y diseño 3D
utilizado por la mayoría de diseñadores y proyectistas en el mundo entero. Uno de los más
utilizados el Mechanical Desktop diseñado por Autodesk, debido a su gran número de
funciones y mejores que se le han presentado a través de todos sus actualizaciones. CAD fue
Capítulo III 69
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
desarrollado por primera vez en la década de los sesentas. Sin embargo, había muy pocos
usuarios CAD al principio porque estos eran muy costosos y difíciles de utilizar. Las
computadoras que ejecutaban los programas CAD eran grandes máquinas voluminosas y
costosas que ocupaban habitaciones completas. Gracias a la evolución de las computadoras,
CAD se volvió más fácil de utilizar y más accesibles para usuarios con computadoras comunes
y corrientes. AutoCAD primer antecesor de Mechanical Desktop fue introducido en 1982, este
podía ejecutarse en sistemas IBM XT con 540 Kb de RAM y DOS. Las primeras versiones eran
simples herramientas para generar dibujos bidimensionales básicos. Además, eran demasiada
lenta e incorporaban solo lo más básico para incorporar bocetos. AutoCAD, sin embargo, a
pesar de todas estas limitaciones, fue un éxito debido a que proporcionaba una manera a bajo
costo para entrar al mundo del CAD.
Otros programas CAD requerían una considerable inversión económica en el sistema de la
computadora donde se deseaba ejecutar. Gracias a la facilidad de obtener una computadora
personal, cualquier persona puede utilizar el Mechanical Desktop como una forma de
comunicar ideas. Mechanical Desktop se convirtió en una herramienta que todos pueden
obtener y usar.
Figura III.6.- Pantalla principal de Mechanical Desktop
Capítulo III 70
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
III.2.1.- Ventajas de Mechanical Desktop [III.3]
La versatilidad del sistema lo ha convertido en un estándar general, sobretodo porque permite;
Dibujar de una manera ágil, rápida y sencilla, con acabado perfecto y sin las desventajas que
encontramos si se ha de hacer a mano. Permite intercambiar información no solo por papel,
sino mediante archivos, y esto representa una mejora en rapidez y efectividad a la hora de
interpretar diseños, sobretodo en el campo de las tres dimensiones. Con herramientas para
gestión de proyectos podemos compartir información de manera eficaz e inmediata. Esto es
muy útil sobretodo en ensamblajes, contrastes de medidas, etc. Es importante en el acabado y
la presentación de un proyecto o plano, ya que tiene herramientas para que el documento en
papel sea perfecto, tanto en estética, como, lo más importante, en información, que ha de ser
muy clara. Para esto tenemos herramienta de acotación, planos en 2D a partir de 3D, cajetines,
textos, colores, etc., aparte de métodos de presentación fotorealísticos.
Un punto importante para Mechanical Desktop es que se ha convertido en un estándar en el
diseño por ordenador debido a que es muy versátil, pudiendo ampliar el programa base
mediante programación (Autolisp, DCL, Visual Basic, etc.). Mechanical Desktop está
preparado para el diseño mecánico en 2D y 3D, análisis y fabricación necesarias para la
producción y añade el concepto de información paramétrica, un nuevo campo revolucionario
en el entorno CAD.
El principal objetivo del empleo de Mechanical Desktop para la construcción tridimensional
del modelo en cuestión que se propondrá analizar, se refiere a que propio a la complejidad y
extensión del modelo y elementos que lo componen el software de Método de Elemento Finito
que se desea aplicar para dicho análisis, ANSYS, está provisto de herramientas de diseño
geométrico mayormente limitadas, siendo así que la realización del modelado de dichas
estructuras resulta con mayor complejidad, además de que ambos software están provistos y
nos brindan la ventaja de compatibilidad de importación y exportación de diferentes tipos de
archivos entre los que se ubica el SAT, el cual será requerido para este análisis.
III.3.- Dimensiones de la herramienta de implemento [III.4]
Las dimensiones de la herramienta de implemento, hoja semiuniversal, del equipo Bulldozer
D8T de Caterpillar fueron buscadas por diferentes medios en publicaciones e información del
Capítulo III 71
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
mismo fabricante, sin obtener resultado positivo alguno, obviamente por razones de
patentamiento. Por lo anterior y contando con la amplia disponibilidad física de la estructura
por parte de Caterpillar Inc. se prosiguió a la realización de la toma física de dimensiones de
cada uno de los elementos que conforman a la herramienta de implemento, con el fin de
obtener mediciones más precisas estas fueron tomadas de un ejemplar totalmente nuevo que
obviamente no contara con desgaste alguno, de este modo ya se cuenta con dimensiones muy
aproximadas de la estructura en estudio.
Figura III.7.- Mediciones físicas de herramienta de implemento
III.4.- Construcción tridimensional de la herramienta de implemento [III.5]
Una vez obtenidas la totalidad de las dimensiones físicas de cada uno de los elementos que
componen a la herramienta de implemento tales como soportes, muñones para actuadores
hidráulicos, disipadores de esfuerzo, etc. se procede a la construcción tridimensional del
modelo a través del software Mechanical Desktop.
Para la construcción de estos elementos, primeramente fue necesaria la elaboración de perfiles
bidimensionales de cada uno de los elementos que la conforman, continuo a esto es la
utilización de la herramienta de extrusión extrude, cuya función es la generación de volúmenes
a partir de regiones. Es decir, áreas o perfiles bidimensionales cerrados, a los cuales se les dará
un cierto espesor preciso de acuerdo a lo requerido por las dimensiones ya especificadas,
pudiendo ser estas. Además de acuerdo a un grado de inclinación, una ruta o trayectoria
indicada por una línea. Otra herramienta básica utilizada en la construcción de estos
elementos, es el empleo de la herramienta subtract, que refiere a la eliminación, o sustracción
Capítulo III 72
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
de sólidos dentro de otros sólidos. Es decir, que se ubican compartiendo el mismo espacio
físico.
Cabe mencionar que por cuestiones de simplificación la construcción de cada uno de los
elementos que conforman finalmente a la herramienta de implemento fueron generados por
separado. Es decir, cada uno en un archivo específico, entre los elementos principales que la
componen ubicamos los mostrados.
Figura III.8.- Modelado de soporte de brazo de sujeción
Figura III.9.- Modelado de extremo
Capítulo III 73
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura III.10.- Modelado de hoja frontal
Figura III.11.- Modelado de cara posterior y esqueleto interno
Capítulo III 74
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura III.12.- Modelado de soporte de cilindro de elevación
Figura III.13.- Modelado de soporte de barra estabilizadora
Figura III.14.- Modelado de soporte de cilindro de inclinación
Capítulo III 75
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
III.5.- Ensamble de herramienta de implemento
Finalmente, al modelar la totalidad de los elementos estructurales que componen a la
herramienta de implemento se inicia el proceso de ensamble en un solo archivo. De acuerdo a
la ubicación y localización específica de estos elementos uno respecto al otro derivado del
dimensionamiento físico, logrando así un modelado absoluto de la herramienta de implemento
requerido para este caso de análisis.
Figura III.15.- Modelado de ensamble de herramienta de implemento
III.6.- Generación de archivo con extensión SAT
Siendo los archivos SAT (Standart ACIS Text) un tipo de extensión universal y compatible en
la exportación de geometrías generadas en software CAD, a partir del modelo generado en
Mechanical Desktop, generaremos un archivo de este tipo, ubicándose en el menú File, se
emplea la herramienta de exportación Export con la opción Desktop ACIS, al seleccionar los
sólidos requeridos y la dirección de guardado que convenga, generándose así el archivo con
extensión SAT del cual importaremos el modelo a la paquetería ANSYS para el correspondiente
análisis.
III.7.- Condiciones de la herramienta de implemento en operación
Las fuerzas que interactúan con la herramienta de implemento durante la operación del equipo
de maquinaria pesada, fueron determinadas a través de la visualización del funcionamiento del
Capítulo III 76
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
equipo. Así como derivadas de las características propias de diseño, desempeño y
funcionamiento de los componentes involucrados en el movimiento de volúmenes de
materiales; tales como el motor, la servotransmisión, entre otros. Es decir, que el equipo de
maquinaria pesada en operación avanza con una determinada fuerza de tracción con la cual se
dará desplazamiento al volumen de material determinado. Por lo que dicho volumen de
material será desplazado al contacto con la cara frontal de la herramienta de implemento
[III.6].
Figura III.16.- Cargas y restricciones en herramienta de implemento
En otras palabras, se localiza que en condiciones de trabajo se tienen tres diferentes
velocidades de desplazamiento frontal del equipo de maquinaria pesada brindados a través de
su tren de impulsión, cada una se compone de dos características de desempeño propias, la
primera el comportamiento del desarrollo de la velocidad y la segunda el comportamiento del
desarrollo de la fuerza de tracción. De lo anterior tenemos que se ubica que en el primer
velocidad de avance es donde se registra la fuerza de tracción de mayor cantidad igual a
618500N.
Asimismo, la cara frontal de la herramienta de implemento la cual da contacto con el volumen
a desplazar presenta un área efectiva de trabajo la cual está dada por dos longitudes alto y
ancho de hoja, 3.940m y 1.690m respectivamente, lográndose un área de trabajo igual a
6.6586m2 y por consiguiente una presión de reacción de 92887.394 Pa. Además se ubica que
iniciada la operación de desplazamiento de volúmenes los soportes de los cilindros de levante,
de las barras de sujeción y de los cilindros de inclinación quedan restringidos en movimiento
Capítulo III 77
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
completamente en cualquier dirección, a excepción del soporte de la barra estabilizadora que
posee completa libertad [III.6 y III.7].
Figura III.17.- Velocidad vs. Fuerza de tracción, por avances
Tabla III.1.- Velocidades y fuerzas de tracción, por avances
Transmisión Avance 1 3.4 km/h 2.1 mph Avance 2 6.1 km/h 3.8 mph Avance 3 10.6 km/h 6.6 mph Retroceso 1 4.5 km/h 2.8 mph Retroceso 2 8 km/h 5 mph Retroceso 3 14.2 km/h 8.8 mph 1a. de avance-Fuerza en la barra de tiro (1000)
618.5 N 139 lbf
2a. de avance-Fuerza en la barra de tiro (1000)
338.2 N 76 lbf
3a. de avance-Fuerza en la barra de tiro (1000)
186.9 N 42 lbf
0 1 2 3 4 5 6 7 mph
2A Avance 2
Avance 3
Avance 1
0 2 4 6 8 10 km/h
Servotransmisión con dirección de diferencial
Nx lb x 1000 1000
600
500
400
300
200
100
0
140
120
100
80
60
40
20
0
Fue
rza
en la
bar
ra d
e tir
o
Velocidad
Capítulo III 78
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Tabla III.2.- Especificaciones de la hoja 8SU
III.8.- Requerimientos para análisis por MEF en ANSYS
El software ANSYS es una herramienta óptima para el desarrollo de ecuaciones matriciales a
través de un procesador matemático, estas son de alta confiabilidad en la aplicación del MEF .
Figura III.18.- Pantalla principal de ANSYS
Los requerimientos para el análisis por el MEF con el software ANSYS están conformados por
los siguientes rubros.
• Definición geométrica.
• Propiedades mecánicas del modelado.
Hoja Tipo 8SU Capacidad (SAE J1265) 8.7 m3 11.4 yd3 Ancho (sobre cantoneras) 3940 mm 12.9 pie Altura 1690 mm 5.5 pie Profundidad de excavación 575 mm 22.6 pulg. Espacio libre sobre el suelo 1225 mm 48.2 pulg. Inclinación máxima 883 mm 34.8 pulg Peso (sin controles hidráulicos)
4789 kg 10557 lb
Peso total en orden de trabajo (con hoja y desgarrador de un solo vástago)
38488 kg 84850 lb
Capítulo III 79
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
• Tamaño y tipo de malla del elemento.
• Definición de restricciones de desplazamiento.
• Definición de aplicación de cargas.
• Procesamiento del análisis estático.
• Obtención e interpretación de esfuerzos y desplazamientos resultantes.
• Visualización gráfica de esfuerzos y desplazamientos resultantes.
III.9.- Análisis numérico por Método del Elemento Finito
A través del análisis por medio del Método del Elemento Finito aplicado a la herramienta de
implemento se pretende determinar el estado de esfuerzos a los que se somete tal modelo en
condiciones de operación de acuerdo al procesamiento del análisis que se encuentra
estructurado en niveles o etapas de actividad, preprocesamiento, procesamiento y
postprocesamiento.
III.9.1.- Preprocesamiento
En este nivel de procesamiento se incluyeron todas las actividades de modelado del problema
e ingreso de datos, tales como modelado y definición de la geometría, propiedades de material
de los elementos, entre otros. Si bien este paso se puede realizar dentro del mismo programa
computacional de MEF, se utiliza un paquete de CAD para generar la estructura o cuerpo de
estudio, ya que ofrece mejores herramientas en el dibujo y modelado del mismo, así mismo, se
eligen el tipo y tamaño de los elementos que componen nuestro mallado. El resultado final de
este nivel de procesamiento es un archivo de datos en el cual se especifica al software los
parámetros con los que debe trabajar quedando especificado de la siguiente manera.
• Modelado y definición de la geometría. Anteriormente ya se describió la
construcción tridimensional del modelo, de igual manera la creación del archivo con
extensión tipo SAT a ser utilizado en ANSYS. Una propiedad importante del archivo
con extensión tipo SAT es el conservar las características geométricas del modelo a
exportar, así como la asociación de la orientación espacial, aunque sean perdidas las
propiedades paramétricas. Al hacer la importación del archivo del modelo con
extensión tipo SAT, inicialmente desde el interior del software ANSYS emplearemos la
herramienta de importación Import, SAT ubicada en el menú principal File. Una vez
Capítulo III 80
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
hecho esto se indicará la dirección y el nombre de archivo convenientes, procesándose
así la transferencia. Para realizar un depurado de la geometría del modelo, a partir de
main menu, en la sección preprocessor, la opción modeling, seleccionamos delete,
area and below, line and below y keypionts, logrando así un modelado libre de
cualquier geometría errónea ajena a la deseada.
Figura III.19.- Herramienta de implemento en ANSYS
• Definición de las propiedades del material. Una vez importada la geometría al
software de análisis con MEF, se procede a seleccionar el análisis tipo estructural
requerido para este caso de estudio, en Main menu, Preference, Structural. Debido a
que el modelo está constituido en su totalidad por un mismo y único material este
quedará definido de una sola manera con el comportamiento Estructural, Lineal,
Elástico e Isotrópico, poseyendo un Módulo de Young igual con 200GPa y una
relación de Poisson de 0.28.
• Selección del tipo de elemento y mallado. Primeramente para proceder a realizar el
mallado, se selecciona el tipo de elemento Tet 10 node187 en ANSYS el Solid 187, al
ser un elemento de 10 nodos de alto orden en 3D, tiene un comportamiento de
desplazamiento cuadrático y es óptimo para el modelado de mallas irregulares. Este
elemento está definido por 10 nodos y 3 grados de libertad en cada nodo, traslación en
las direcciones de nodos x, y, z, teniendo plasticidad, hiperelasticidad, larga deflexión
Capítulo III 81
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
y grandes capacidades de esfuerzo. Posteriormente, es realizada la selección del
volumen, para asignar las propiedades del material introducidas previamente,
obteniendo así el mallado óptimo del modelo.
Figura III.20.- Mallado de herramienta de implemento
III.9.2.- Aplicación de restricciones y agentes externos
En este nivel se realiza una evaluación del modelo para verificar que no haya ningún error en
el nivel anterior ya que el software genera las ecuaciones necesarias para la solución del
problema como la matriz de rigidez, su modificación y solución se obtiene mediante la
evaluación de las variables nodales, también se generan las cantidades de derivadas, así como
los gradientes y esfuerzos, los cuales nos fueron presentados hasta la etapa siguiente.
• Aplicación de cargas y restricciones de movimiento. De acuerdo a la interpretación
de las condiciones bajo las que se encuentra la herramienta de implemento en
operación, se determina que en el modelo sea restringido el movimiento en todas las
direcciones para las áreas de sujeción de los muñones de los soportes que interactúan
con los cilindros hidráulicos de levante, con las barras de sujeción y con los cilindros
hidráulicos de inclinación, ya que, una vez iniciada la operación tales elementos
quedan fijados completamente, especificando que debido al diseño de la herramienta el
movimiento del soporte de la barra estabilizadora no se encuentra restringido en
absoluto, así mismo, iniciada la operación, al desplazamiento del volumen de material
en cuestión es generada por el equipo de maquinaria pesada una fuerza de tracción
determinada a su avance por lo que es ejercida a manera de reacción por el volumen,
Capítulo III 82
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
una determinada presión igual a 92887.394Pa aplicada directamente sobre el área
efectiva de empuje de la herramienta de implemento.
Figura III.21.- Restricciones de movimiento en muñones de soportes
Figura III.22.- Aplicación de presión en área efectiva de empuje
III.9.3.- Postprocesamiento
En este nivel son incluidos y presentados la solución y los resultados obtenidos a partir de las
etapas anteriores, tales como las deformaciones, distribuciones de esfuerzo, entre otros, las
magnitudes de los valores resultantes son presentados de manera enriquecida por una
simbología de colores, la cual nos permite apreciar los valores máximos y mínimos de estos en
la herramienta de implemento, los que de acuerdo a diferentes parámetros son presentados a
continuación.
Capítulo III 83
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura III.23.- Forma básica y deformada
Figura III.24.- Sumatoria de deformaciones en ejes x, y, z
Figura III.25.- Esfuerzo principal S1 en la herramienta de implemento
-.723e8 .272e8 .127e9 .226e9 .326e9 -.225e8 .770e8 .176e9 .276e9 .375e9Pa
0 .106 .212 .318 .425 .053 .159 .265 .371 .478m
Capítulo III 84
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura III.26.- Esfuerzo principal S2 en la herramienta de implemento
Figura III.27.- Esfuerzo principal S3 en la herramienta de implemento
Figura III.28.- Esfuerzos por energía de distorsión máxima o Criterio de Von Mises
-.114e9 -.626e8 -.118e9 .391e8 .900e8 -.881e8 -.372e8 .137e9 .646e8 .115e9Pa
1460 .691e8 .138e9 .207e9 .277e9 .346e8 .104e9 .173e9 .242e9 .311e9Pa
-.383e9 -.282e9 -.183e9 -.836e8 .161e8 -.333e9 -.233e9 -.133e9 -.338e8 .659e8Pa
Capítulo III 85
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Considerando la geometría de referencia del modelo, se obtienen los esfuerzos producidos en
cada uno de los tres ejes de accionamiento para el análisis de la herramienta de implemento.
Figura III.29.- Esfuerzos en eje de accionamiento x
Figura III.30.- Esfuerzos en eje de accionamiento y
Figura III.31.- Esfuerzos en eje de accionamiento z
-.307e9 -.172e9 -.379e8 .965e8 .231e9 -.239e9 -.105e9 .293e8 .164e9 .298e9Pa
-.127e9 -.706e9 -.141e8 .424e8 .989e9 -.988e9 -.423e9 .142e8 .707e8 .127e9Pa
-.153e9 -.821e9 -.112e8 .598e8 .131e9 -.118e9 -.466e9 .243e8 .953e8 .166e9Pa
Capítulo III 86
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Como se puede percibir en los diferentes gráficos anteriores no es posible la visualización de
los elementos que generan los máximos valores de esfuerzo, de igual manera existen
elementos ubicados en la sección denominada esqueleto interno que se ubican de manera
encerrada, limitando así la visualización de éstos, es por lo anterior que se infiere y se llega a
la conclusión que son los mismos elementos aquellos que se encuentran bajo ambas
condiciones, ubicando así físicamente en la estructura del esqueleto interno a los elementos en
los que se generan los máximos valores de esfuerzo resultantes del análisis de la herramienta
de implemento, para fines prácticos que pudiesen ser requeridos.
III.10.- Análisis de resultados
Se observa que de acuerdo a los esfuerzos por energía de distorsión máxima o Criterio de Von
Mises el valor máximo de esfuerzo que se genera en la herramienta de implemento en
operación se ubica en el área central del esqueleto interno lo más alejado de cada extremo
cuyo valor es igual a 3.11X108Pa para el caso de aplicar una presión de 92887.394Pa que se
generan sobre el área efectiva de empuje de la herramienta de implemento, cuando el equipo
de maquinaria pesada ofrece su máxima fuerza de tracción en operación, condición máxima de
operación la cual es contemplada a partir de un equipo de maquinaria pesada cuyo desempeño
es ideal, debido a que este puede verse mermado y decrecer a partir de pérdidas de trabajo en
sus componentes debido a un excesivo desgaste por uso y a condiciones adversas del terreno
tales como un terreno no propio o pendientes pronunciadas del mismo. De acuerdo al análisis
obtenemos que la herramienta de implemento presenta una deformación de 0.478m ubicada en
el extremo inferior del área efectiva de empuje deformación ubicada totalmente en el área
elástica que se encuentra lejana al contacto riesgoso con cualquier otro componente del equipo
de maquinaria pesada.
III.11.- Sumario
En el actual capítulo se presenta el análisis propuesto y su solución con el objetivo de obtener
la visualización del comportamiento estructural de la herramienta de implemento ante las
condiciones asociadas a esta en operación en conjunción con el equipo de maquinaria pesada.
Por otro lado el capítulo pone de manifiesto el procedimiento y metodología empleados para
llevar a cabo el análisis estructural resuelto a partir del uso Método del Elemento Finito, a
través de cada una de sus diferentes etapas, incluyendo los diferentes elementos requeridos
Capítulo III 87
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
para tal como lo son las geometrías, modelas a partir del empleo del CAD, las propiedades del
material, sus condiciones de frontera y cargas aplicadas entre otros, obteniendo así como
resultado los estados de esfuerzo y desplazamiento generados por la herramienta de
implemento, y así visualizando la ubicación física de los puntos críticos para casos de estudio
futuramente requeridos.
III.12.- Referencias
1.- Moaveni, S., Finite Element Analysis Theory and Application with ANSYS, Ed. Prentice
Hall, pp 6, 1999.
2.- ANSYS, Tutorial del programa versión 10, 2005.
3.- Shawna D. Ñ., Tutorial Mechanical Desktop version 5.0. Prentice Hall, pp 105-240, 2002.
4.- Caterpillar Inc., Caterpillar Performance Handbook, Edition 38, Module 1, Track-Type
Tractors, Peoria Illinois, U.S.A., Ed. Caterpillar Inc., 2008.
5.- Caterpillar Inc., D8T Track TypeTractor , Peoria Illinois, U.S.A., Ed. Caterpillar Inc., pp
20, 2011.
6.- Caterpillar Inc., D8T, D9T, D10 Waste Handle, Peoria Illinois, U.S.A., Ed. Caterpillar Inc.,
pp 16, 2007.
7.- Caterpillar Inc., Ground Engaging Tools, Edition 10th, Peoria Illinois, U.S.A., Ed.
Caterpillar Inc., 2011.
CAPÍTULO IV
ANÁLISIS NUMÉRICO
ELASTOPLÁSTICO
PARA HERRAMIENTA
DE IMPLEMENTO
Capítulo IV 89
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
IV.1.- Elastoplasticidad [IV.1]
Las causas por las que una estructura pierde su utilidad son la aparición de alguna
inestabilidad, las deformaciones excesivas y la fatiga. Por lo demás, una estructura construida
con un material de características adecuadas de ductilidad puede seguir soportando cargas
crecientes pese a que en algún lugar el material haya abandonado el rango elástico. Entonces,
de seguir el proceso de carga, van apareciendo más puntos donde se ha iniciado la cesión
plástica, hasta que finalmente ese número de puntos es tal y se combinan de tal modo que la
estructura llega al colapso o agotamiento. Esto ocurre cuando la estructura está sometida a la
denominada carga última, o carga de agotamiento. Es conocido comúnmente como diseño
plástico, por contraposición al diseño elástico, basado en la pretensión de que en ningún lugar
de la estructura el material se salga del rango elástico, y en su favor se aduce que permite
obtener diseños más racionales, una notable simplificación de los cálculos y una cierta
economía de materiales. El método plástico se aplica especialmente a las estructuras de acero,
aunque también puede utilizarse, en las condiciones debidas, para estructuras de aluminio,
hormigón armado y hormigón pretensado. Al tratar el comportamiento de elementos de acero
estructural cuando se considera que el materiales elastoplástico y no elástico, en general
pueden simplificar empleando el método plástico al diseñar una estructura, pues ésta puede ser
analizada a partir de un esquema más claro y concreto que permite llegar a una solución más
racional respecto al aprovechamiento de las posibilidades del material. El comportamiento de
una estructura diseñada por el método elástico no es extensible a una situación en la que el
material rebase el rango elástico en varios puntos, como ocurre ante una solicitación extrema,
cuando la estructura se pone al borde del agotamiento, en cuyo caso es mejor solución atribuir
desde el principio un comportamiento elastoplástico a los componentes de la estructura y
disponer así de información acerca de los lugares donde las solicitaciones pueden ser
excesivas.
Entonces con el objeto de conocer el verdadero factor de seguridad de la estructura es que
debe conocerse la carga límite o carga que producirá la rotura del elemento estructural y esto
solo se lograra llevando a la estructura a comportarse inelásticamente. Sabemos que en una
estructura elástica las deformaciones son pequeñas debido tal vez aun exceso en su rigidez,
sobredimensionamiento etc. El elemento no deja rastro de deflexión después de quitar su carga
actuante. Algo opuesto ocurre si el elemento estructural se comporta inelásticamente debido a
Capítulo IV 90
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
que este se mantendrá deformado aun después de su descarga, también es debido a esto por el
cual las estructuras con estas características disipan en grandes cantidades la energía sísmica
reduciendo sus aceleraciones. El análisis plástico implica modelar el comportamiento no lineal
de las estructuras.
En la Ingeniería Mecánica, es imprescindible conocer el comportamiento de los materiales
cuando son solicitados por cargas. En la teoría de la Elasticidad se considera que al menos en
un pequeño intervalo las tensiones son proporcionales a las deformaciones. Cuando esto
ocurre se dice que el cuerpo se encuentra en el campo elástico. Cuando las cargas sobrepasan
este campo el cuerpo se comporta en forma plástica dando como resultado relaciones no
lineales entre la tensión y la deformación.
IV.2.- Teoría Elastoplástica [IV.2]
La principal característica del comportamiento plástico de los sólidos es que la relación entre
las tensiones y las deformaciones no es única como lo es en el caso de la elasticidad lineal y
no lineal. Como consecuencia del pasaje de un estado elástico a uno plástico se observan
deformaciones remanentes en el material una vez retiradas las cargas o disipadas las tensiones.
Para diferenciar el comportamiento entre dos materiales, uno con características elásticas no
lineal y el otro elastoplástico, debe estudiarse el proceso de descarga ya que el material
elástico no lineal seguirá la misma curva de carga mientras que si el material se encuentra en
el campo plástico seguirá una curva diferente que depende de la historia.
IV.2.1.- Superficie de fluencia
Experimentalmente se ha demostrado que, en el caso general, las deformaciones plásticas de
los materiales ocurren cuando las tensiones σ satisfacen, o alcanzan, un criterio general de
fluencia, conocido tambiιn como superficie de fluencia, generαndose un parαmetro de
endurecimiento que modifica la forma y la posiciσn de la superficie.
IV.2.2.- Regla de flujo
Fue propuesto por Von Mises y define que los incrementos de deformación plásticos se
relacionan con la superficie de fluencia. Generándose una constante de proporcionalidad
todavía indeterminada, llamada multiplicador plástico. La relación puede ser interpretada
Capítulo IV 91
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
como una condición de que el vector incremento de deformación plástica sea normal a la
superficie de fluencia, en el espacio dimensional de tensiones. De aquí que a este criterio se lo
conozca también como principio de ortogonalidad. De existir el caso en el cual sea imposible
cumplir con la restricción impuesta por la regla de flujo descrita anteriormente, es factible
definir un potencial plástico.
IV.2.3.- Relación tensión-deformación
Durante un incremento infinitesimal de tensión, es posible separar la variación de la
deformación en dos partes, una elástica y otra plástica, entonces está claro que los incrementos
de deformación elásticos deben estar relacionados con los incrementos de tensión.
Análogamente a lo que ocurre en el caso uniaxial, el incremento plástico de deformación,
ocurrirá cuando el incremento elástico de tensión, tienda a colocar la tensión sobre la
superficie de fluencia, esto ocurrirá cuando esté en dirección de carga plástica. Si, por lo
contrario, este cambio de tensión produce descarga, naturalmente no aparecerá deformación
plástica. Cuando se produce carga plástica las tensiones se ubicaran sobre la superficie de
fluencia.
IV.3.- Tratamiento Elastoplástico [IV.2]
A partir de las aplicaciones de carga en solicitaciones para la mayoría de los materiales
ingenieriles convencionales, se deduce que pasado un período en el cual la relación es
proporcional se producen deformaciones irrecuperables. Algunos de los motivos son los
siguientes, el proceso no es reversible; a diferencia de lo que ocurre en elasticidad, aquí el
estado actual de deformaciones depende de la historia de cargas y no solo de los estados inicial
y final; en los metales el endurecimiento dificulta la descripción del proceso de deformación.
El conocimiento de las características del proceso de deformación plástica (el que produce
transformaciones no recuperables) es necesario tanto en cuestiones de diseño como de
producción. Para un primer tratamiento de la plasticidad en metales, es necesario asumir que
los siguientes efectos no se producen, anelasticidad figura (a), histéresis figura (b), efecto
Bauschinger figura (c).
Capítulo IV 92
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura IV.1.- Efectos no producidos para Elastoplasticidad
También se asume la hipótesis de homogeneidad del material (esto es, el tratamiento sin
imperfecciones).
IV.4.- Comportamiento elastoplástico del acero estructural [IV.3]
Los modelos simplificados con los que se viene idealizando el comportamiento resistente del
acero estructural se han representado en la siguiente figura.
Figura IV.2.- Modelos simplificados del comportamiento resistente del acero estructural
Como es sabido, el modelo lineal desprecia las deformaciones plásticas frente a las elásticas y,
por consiguiente, sólo es útil para predecir el comportamiento de las estructuras en situaciones
próximas a la de servicio. Por el contrario, el modelo rigidoplástico desprecia las
deformaciones elásticas frente a las plásticas y, consecuentemente, conduce a teorías que sólo
son útiles para predecir las cargas de agotamiento de los sistemas estructurales. Siendo los
A
σΣ σ
Σ
σΣ
σo
A
0
ε1 ε2 ε3 (a) (c) (b)
+
−
ε ε
σo
σo ε
σΣ
σΣ
σΣ
σΣ
σy σy σy
εΣ
εΣ
εΣ
εΣ
Lineal Rigidoplástico Elastoplástico Elastoplástico con tramo final de endurecimiento por deformación
εy εy εp
Capítulo IV 93
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
modelos elastoplásticos los únicos que permiten predecir fielmente dicho comportamiento en
todas las etapas del proceso de carga, es decir, desde el inicio de la solicitación hasta que se
produce el agotamiento resistente del sistema estructural.
IV.5.- Modelo elastoplástico [IV.3]
Al representar gráficamente, el aspecto general que presenta la curva de tracción, o diagrama
esfuerzo-deformación de un acero estructural se señalan sucesivamente, OA, la zona elástica
lineal, intervalo en que la probeta se alarga según la ley de Hooke y recupera su longitud
inicial al disminuir la carga hasta anularse; AB, la zona de transición entre la zona elástica
lineal y la zona plástica; BC, la zona plástica, intervalo en que la probeta se deforma
plásticamente, es decir, además de alargarse notablemente sin que la carga varíe, al retirarse la
carga conserva un alargamiento remanente; CD, la zona de endurecimiento por deformación,
intervalo en que la probeta sigue comportándose plásticamente, pero es necesario que aumente
la carga para que siga alargándose; y DE, la zona de estricción, intervalo en que la probeta,
desde un valor máximo de σ alcanzado al final de la zona anterior, sigue alargándose con una
fuerte contracción alrededor del punto de la probeta donde sobreviene finalmente la rotura. Se
indican en la figura las posiciones del límite de proporcionalidad P, del punto de fluencia σγ, y
del esfuerzo último συ. Entre el límite de proporcionalidad y el punto de fluencia, hay una
zona intermedia en que la probeta, sin dejar de comportarse elásticamente, ya no obedece a la
Ley de Hooke. Esa zona debería marcar el límite elástico, pero de hecho los aceros
estructurales presentan un punto de fluencia superior y un punto de fluencia inferior, tal como
se muestra en el recuadro de la misma figura. En las curvas obtenidas mediante las máquinas
de tracción el límite de proporcionalidad y los dos puntos de fluencia se muestran muy claros,
pero suelen estar poco separados. Además, la recta representativa de la zona elástica lineal
presenta una pendiente tan acusada que casi parece paralela al eje de ordenadas, tal como se
aprecia en la figura (b), que muestra una curva de tracción real de un acero estructural. La
zona elástica lineal de la curva ocupa una fracción muy reducida del eje de abscisas y es unas
quince veces menor que la zona plástica. A efectos prácticos se conviene en idealizar la curva
de tracción representándola como en la figura (c), mediante un tramo inclinado OA,
representativo del comportamiento elástico lineal del material, y un tramo horizontal AB,
representativo del comportamiento plástico. La pendiente del tramo OA es igual al módulo de
elasticidad E del acero.
Capítulo IV 94
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura IV.3.- Modelo elastoplástico para acero estructural
zona elástica lineal
zona plástica
zona de endurecimiento
zona de estricción
A
B C
D
E
O ε
σu
σp σy
σ
ε
σ
400MPa
200MPa
O 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
a) b)
σ σ
σy
O
E
ε
A B
εy
σy (0.5%)
σy (0.2%)
0.002 0.005
Deformación 0.5%
Deformación remanente 0.2%
c) d)
σ σ
σy
O O
Deformación remanente
O1 O1
C
CO
DO1
D B A
ε
e) f)
ε
E
E/10000 A
B D
Capítulo IV 95
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
a) Curva de tracción de una probeta de acero estructural.
b) Curva de tracción real de un acero estructural.
c) Curva de tracción idealizada: modelo de comportamiento elastoplástico perfecto o
modelo de comportamiento bilineal sin endurecimiento por deformación. El segmento
OA corresponde al comportamiento elástico lineal del material, siendo su pendiente el
Módulo de Young, y el segmento AB corresponde al comportamiento plástico. En el
punto A, llamado punto de fluencia o punto de cesión plástica, se hacen coincidir el
límite de proporcionalidad y los dos puntos de fluencia. El valor correspondiente de
σ se conoce como esfuerzo de fluencia, o de cesión plástica, y se representa por σγ.
d) Definición del esfuerzo de fluencia. El esfuerzo de fluencia, σγ, se define como el
esfuerzo que provoca una deformación remanente del 0,2%. Otro criterio menos
utilizado consiste en definir el esfuerzo de fluencia como aquel que corresponde a una
deformación del 0,5%.
e) Curva de tracción idealizada: modelo de comportamiento elastoplástico sin
endurecimiento por deformación o elastoplástico perfecto. Cuando un material que
responde al modelo de comportamiento elastoplástico perfecto se descarga desde un
punto C, situado en el tramo elástico, sigue el mismo recorrido que en el proceso de
carga, pero en sentido inverso y no queda deformación remanente. En cambio, cuando
se descarga desde un punto D en el tramo plástico, el camino en la descarga es el
señalado como DO, paralelo al tramo elástico OA, y queda una deformación remanente
OO. Al volver a cargar a partir de O, la nueva zona elástica corresponde a OD y la
zona plástica se inicia en D. Puesto que al punto A y al D les corresponde el mismo
esfuerzo de fluencia, se deduce que el material no se ha endurecido por deformación.
f) Curva de tracción idealizada: modelo de comportamiento elastoplástico, con
endurecimiento por deformación.
En el punto A, se reúnen el límite de proporcionalidad y los dos puntos de fluencia, por lo que
goza de las propiedades de los tres; es decir, hasta A se supone que el material es elástico
lineal, y a partir de A se supone que es perfectamente plástico, por lo cual A se conoce como
punto de fluencia o punto de cesión plástica. El valor de σ correspondiente al punto A se
designa como esfuerzo de fluencia, o esfuerzo de cesión (plástica) y se representa por σγ. Su
valor se establece tomando como referencia uno de los dos valores de σ indicados en la figura
Capítulo IV 96
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
(d), es decir, el valor del esfuerzo que dé una deformación remanente del 0,2%, el más
empleado, o una deformación del 0,5%.A diferencia de E, el valor de σγ no es el mismo para
todos los aceros estructurales, y σγ puede variar entre 200MPa y 700MPa. Sin embargo, el
valor de de los aceros estructurales más empleados (por razones económicas) se sitúa en torno
a 250MPa y éste es el valor que aquí adoptamos en general. Además, el valor de σγ permitido
para el análisis de fuerzas por el método plástico está limitado en todas las normas y en ningún
caso sería admisible un valor de σγ tan alto como 700MPa.
En este modelo la deformación plástica está representada por una recta inclinada de pendiente
del orden de la diezmilésima parte de la pendiente del tramo elástico. A diferencia de lo que
ocurre en el modelo elastoplástico perfecto, una vez alcanzado el punto de fluencia, es preciso
seguir incrementando la fuerza aplicada para avanzar en la deformación plástica. Si
descargamos desde un punto D, situado en el tramo plástico, el camino en la descarga es el
señalado como DO, paralelo al tramo elástico OA y queda una deformación remanente OO. Al
volver a cargar a partir de O, la nueva zona elástica corresponde a OD y la zona plástica se
inicia en D. Puesto que al punto D le corresponde un esfuerzo de fluencia superior al del punto
A, se observa un endurecimiento del material por deformación.
El diagrama OAB de la figura (c) representa el modelo de comportamiento elastoplástico, y de
todo material cuyo comportamiento sea asimilable a un diagrama como ése se dice que es un
material elastoplástico perfecto. El modelo elastoplástico se completa (e) admitiendo: a) que si
el material se descarga desde un punto como el C, situado en el tramo elástico, el punto
representativo sigue la trayectoria CO y la probeta recupera su longitud original, y b) que si el
material se descarga desde un punto como el D, situado en el tramo plástico, el punto
representativo sigue la trayectoria DO, paralela a OA, y la probeta queda con una deformación
remanente OO. En este segundo caso, si la probeta vuelve a cargarse desde O el diagrama
esfuerzo-deformación sigue obedeciendo al modelo elastoplástico, con una zona elástica
lineal, representada por la recta OD, y una zona plástica (recta horizontal) a partir del punto D,
que será entonces el punto de cesión. En los aceros, las características generales de las curvas
de compresión no difieren sustancialmente en lo que nos interesa de las de las curvas de
tracción. Admitimos, por tanto, que el modelo elastoplástico adoptado es válido tanto para
tracción como para compresión. El modelo de comportamiento elastoplástico descrito se
Capítulo IV 97
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
conoce a veces como modelo elastoplástico bilineal, por estar compuesto de dos tramos
lineales. Hay propuesto otro modelo bilineal cuyo aspecto se muestra en la figura (f). En éste,
el diagrama esfuerzo-deformación está formado primero por una zona elástica lineal,
representada por una recta OA de pendiente E, como en el modelo elastoplástico perfecto,
pero la zona plástica está representada por una recta AB no horizontal sino inclinada con una
pendiente del orden de E/10000. Por lo demás, el comportamiento del material en la descarga
desde la zona plástica es análogo al del modelo elastoplástico perfecto, o sea, sigue una recta
paralela a OA y quedan con una deformación remanente representada por un punto del eje de
abscisas. En el caso de otros aceros estructurales, este modelo alternativo de la figura (f) se
ajusta más a la realidad, pero presenta el inconveniente de complicar los cálculos en el análisis
plástico. Por ello, el modelo comúnmente aceptado es el elastoplástico perfecto de las figuras
(c) y (e), habida cuenta además de que admitir una plasticidad perfecta a partir del punto de
cesión implica despreciar los efectos del endurecimiento por deformación, pero ello favorece a
la seguridad ya que el endurecimiento por deformación aumenta la resistencia del material.
IV.6.- Criterio de Von Mises para Elastoplasticidad [IV.4]
El comportamiento de los materiales bajo cortante se estudia a partir de los diagramas de
cortante en los que se representa el esfuerzo cortante σ en función de la deformación cortante
unitaria ε. Estos diagramas pueden obtenerse con ensayos directos de esfuerzo cortante y, para
los mismos materiales, presentan un aspecto general muy similar al de los diagramas de
tracción y en ellos pueden identificarse cantidades tales como límite de proporcionalidad,
módulo de elasticidad, puntos de fluencia y esfuerzo último.
Estas propiedades suelen determinarse mediante ensayos de torsión realizados sobre tubos
circulares huecos y en líneas generales dan unos valores del orden de la mitad que sus
correspondientes a tracción. Así mismo, muchos diagramas de cortante (del acero, aluminio,
latones) se inician como los diagramas de tracción con una recta que pasa por el origen y que
representa una región elástica lineal siendo G el llamado módulo de elasticidad transversal,
también llamado módulo de rigidez, del material. Hemos tratado en este capítulo de la
plasticidad que aparece cuando se agota un estado de esfuerzos monoaxial. Sin embargo, en la
práctica hay estados de esfuerzos que no son monoaxiales. Por ello, interesa establecer hasta
qué punto es posible aumentar las solicitaciones en un estado general de esfuerzos sin que en
Capítulo IV 98
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
cada lugar considerado sobrevenga la cesión plástica. De los criterios propuestos, el
generalmente aceptado para los aceros estructurales y otros metales es el debido a Richard
Von Mises.
Dicho criterio se basa en consideraciones energéticas, son los esfuerzos principales del estado
general de esfuerzos considerado y según el criterio de Von Mises no se alcanzará la fluencia
mientras el primer miembro no rebase el valor dado por el segundo. En muchas piezas y
elementos estructurales son corrientes los estados de esfuerzos biaxiales o planos.
Cuando, como en el caso de la flexión simple, sólo hay que considerar los esfuerzos normales
debidos al momento flector y los esfuerzos cortantes debidos a las fuerzas transversales,
Además, cuando el estado de esfuerzos es de cortadura pura, la condición de no plastificación
concuerda con los resultados experimentales. Así, para el acero es 250MPa y el esfuerzo
cortante de fluencia es de 145MPa, y para el latón y el aluminio, ambos con 100 MPa, el
esfuerzo cortante de fluencia hallado experimentalmente es de 60 y 55 MPa respectivamente.
Figura IV.4.- Criterio de plastificación de Von Mises
IV.7.- Endurecimiento por deformación [IV.5]
Durante los años recientes se ha generado un considerable interés en la aplicación de la teoría
macroscópica de la plasticidad a problemas de ingeniería asociados con diseños estructurales y
formado tecnológico de metales. La teoría de plasticidad es una amplia rama de la Mecánica
que trata con el cálculo de esfuerzos y deformaciones en un cuerpo hecho de un material
Estado de esfuerzos biaxial plano para el cual el criterio de plastificación de Richard Von Mises σI
2−σIσII+σII2=σy
2 se reduce a
σx2−σxy+σy
2+3τxy2=σy
2
σy
σy
σx σx
τxy
τxy
τxy
τxy
Capítulo IV 99
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
dúctil, permanentemente deformado por un conjunto de fuerzas aplicadas. Esta teoría se
fundamenta en ciertas observaciones experimentales sobre la conducta macroscópica de
metales en estado uniforme de esfuerzos combinados. A diferencia de los sólidos elásticos, en
los cuales el estado de deformación depende sólo del estado final de esfuerzos, la deformación
que ocurre en un sólido plástico se determina por la historia completa de la carga.
El problema de plasticidad es por lo tanto especialmente de naturaleza incremental, la
distorsión final, del sólido se obtiene como la suma total de la distorsión incremental
siguiendo la trayectoria de deformación. Un material inicialmente isotrópico,
consecuentemente llega a ser anisotrópico y sus propiedades mecánicas varían con la dirección
de la carga. El desarrollo de la anisotropía con progresivo trabajo en frío y el resultante
endurecimiento por deformación son también complejos para ser incorporados dentro del
marco teórico. Es por eso que se debe conocer el comportamiento real de los elementos
mecánicos, bajo diferentes condiciones de trabajo y aplicar para su análisis diferentes reglas de
comportamiento plástico.
Las reglas de endurecimiento es un concepto fundamental que describe los cambios, los cuales
toman lugar en el dominio o superficie (conocido como superficie de cedencia). Esto prescribe
la condición para el inicio del flujo plástico como un resultado de la deformación plástica. En
general, la superficie de cedencia puede cambiar en forma (distorsión de la superficie de
cedencia), tamaño (endurecimiento isotrópico) y/o localización de centro (endurecimiento
cinemático) como una consecuencia de deformación plástica. El concepto de endurecimiento
por deformación implica que un material está esforzado en su región lineal-elástica, si el
esfuerzo en él está dentro de la porción lineal inicial de su diagrama esfuerzo-deformación
unitaria y por debajo de su límite elástico.
El comportamiento de la descarga, y la posterior recarga de las probetas metálicas para el
ensayo uniaxial esforzadas más allá de su límite elástico, son de mucha importancia. Si una
probeta se descarga en forma gradual desde un valor cualquiera de esfuerzo superior al límite
elástico, desde el punto A, en la figura, la relación esfuerzo-deformación unitaria en la
descarga sigue una línea recta paralela a la parte lineal de la curva esfuerzo-deformación
unitaria, pero desplazada hacia la derecha.
Capítulo IV 100
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura IV.5.- Comportamiento esfuerzo-deformación unitaria para descarga y carga
La intersección de esta línea de descarga con el eje de deformación unitaria, punto b en la
figura, representa la deformación unitaria residual permanente que queda en el material
después de retirar la carga.
Si la probeta se descarga desde el punto A hasta el punto B y después de algún tiempo se
recarga como un material virgen, su esfuerzo de fluencia estará cerca al punto A y será mayor
que el original. Este proceso del esfuerzo de cedencia se conoce como endurecimiento por
deformación.
IV.7.1.- Endurecimiento cinemático
La regla de endurecimiento cinemático dicta evolución de la superficie de cedencia durante un
incremento de carga plástica por la traslación en el espacio de esfuerzos solamente.
Actualmente, muchas diferentes relaciones han sido propuestas y verificadas para la
determinación de las reglas de endurecimiento cinemático pueden ser categorizadas en tres
principales tipos, a saber, reglas de endurecimiento cinemático lineal, reglas de
endurecimiento cinemático multilineal y reglas de endurecimiento cinemático no lineal.
Capítulo IV 101
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura V.6.- Superficie de cedencia inicial y subsecuente en endurecimiento cinemático
Actualmente, muchas diferentes relaciones han sido propuestas y verificadas para la
determinación de las reglas de endurecimiento cinemático pueden ser categorizadas en tres
principales tipos, a saber, reglas de endurecimiento cinemático lineal, reglas de
endurecimiento cinemático multilineal y reglas de endurecimiento cinemático no lineal.
IV.7.2.- Endurecimiento cinemático lineal
Prager propuso la regla simple de endurecimiento cinemático para simular la respuesta plástica
de materiales, en el cual la superficie de cedencia cambia linealmente en la dirección del
índice de deformación plástica. Bajo la curva cíclica uniaxial con esfuerzos principales
diferentes de cero, esta regla crea ciclos de histéresis cerrados de esfuerzos-deformación.
Generalmente, bajo historias de cargas multiaxial, la regla de Prager estabiliza después de la
acumulación de alguna deformación plástica inicial.
Figura IV.7.- Regla lineal de endurecimiento cinemático
Capítulo IV 102
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
IV.8.- Esfuerzos residuales [IV.6]
En la fase de diseño mecánico, por lo general este se realiza bajo el criterio del
comportamiento elástico del material (además de las consideraciones de isotropía, continuidad
y homogeneidad). Es decir, que los esfuerzos máximos alcanzados por el componente
diseñado, bajo ninguna circunstancia alcanzarán los valores del esfuerzo de cedencia. Lo
anterior implica, que al retirar el agente externo el material regrese a su forma original. Por lo
general se considera que aun por la fabricación, los componentes mecánicos están en un
estado de esfuerzos nulo. Es decir, en realidad no se toma en cuenta que el producto transitó
por diferentes procesos de manufactura, los cuales introdujeron un estado de esfuerzos. Se
puede observar en muchos casos que aunque los cálculos de diseño sean correctos, el
comportamiento de los elementos mecánicos no es el esperado.
Lo que resulta, en que en alguna de las aplicaciones mecánicas del componente diseñado, se
presente la falla súbita del elemento, o en el mejor de los casos, una inesperada prolongación
de la vida útil del componente. Este comportamiento imprevisto, es el resultado de la
aplicación de elementos exógenos debido a los procesos de manufactura, de tal manera que el
esfuerzo alcanzado sobrepasó el esfuerzo de cedencia del material. Este agente externo puede
haberse aplicado en forma homogénea, lo que produce en el interior del componente un
endurecimiento por deformación, o si el agente externo se aplicó en forma no homogénea,
quedarán inducidos esfuerzos residuales.
IV.8.1.- Efectos de los esfuerzos residuales
Los esfuerzos residuales inevitablemente se inducen dentro de un material cuando se
transforma de materia prima en un objeto útil. Permanecen en un sólido aún en ausencia de
cargas externas y gradientes térmicos. Se les conoce también como esfuerzos internos,
esfuerzos candado, esfuerzos de formado, esfuerzos inducidos, esfuerzos inherentes, etc.
Los esfuerzos residuales son la consecuencia de casi todos los procesos de manufactura, los
cuales transforman la forma y/o cambian las propiedades del material. Engloban varios granos
metálicos (en el orden de milímetros o fracciones de milímetros), estos se denomina macro
esfuerzos residuales. Existen también los microesfuerzos residuales, que se consideran como
los causantes de la variación de deformación interatómica y se localizan sobre un simple grano
Capítulo IV 103
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
metálico, cerca del área de las dislocaciones. Diferentes tipos de esfuerzos residuales (tensión
y compresión) se forman cuando porciones de un componente experimentan cambios
dimensionales permanentes no uniformes (deformaciones plásticas). Los esfuerzos residuales
si son de tensión, contribuyen a la activación de microdefectos que conllevan al crecimiento
de la grieta, a la falla por fatiga y agrietamiento por esfuerzos de corrosión de componentes
metálicos. Por otra parte, los esfuerzos residuales de compresión mejoran las propiedades de
un componente y tienden a cerrar grietas además de detener su propagación. Uno de los
problemas más complicados en el análisis estructural es la medición de los esfuerzos
residuales reales y su efecto en la integridad estructural. Por ejemplo en la manufactura de
grandes estructuras, tales como recipientes a presión, se requieren cordones de soldadura muy
gruesos, la soldadura y el material alrededor contiene esfuerzos residuales debido al proceso
de calentamiento y enfriamiento disparejo del metal. La relevancia de la medición, predicción
y control de los esfuerzos residuales es su efecto sobre el servicio sobre los componentes
manufacturados, donde los esfuerzos residuales en tensión pueden inducir fallas prematuras,
por ejemplo; son promotores de grietas, reducen la resistencia del material a la fatiga, inducen
esfuerzos por corrosión y pueden causar distorsión de los componentes. Así, la investigación y
subsiguiente entendimiento de esfuerzos residuales sobre una macro y micro escala es de vital
importancia para la calidad y confiabilidad de los componentes mecánicos.
Figura IV.8.- Esquema de un estado de esfuerzos residuales
Capítulo IV 104
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
IV.9.- Condiciones de la herramienta de implemento para análisis elastoplástico [IV.7]
Para el presente caso de estudio, se toma como referencia como ya se analizó anteriormente,
que las cargas a las que es sometida la herramienta de implemento durante la operación del
equipo de maquinaria pesada fueron determinadas a través de la visualización del
funcionamiento del equipo, así como derivadas de las características propias de diseño,
desempeño y funcionamiento de los componentes involucrados en el movimiento de
volúmenes de materiales, tales como el motor, la servotransmisión, entre otros. Por lo anterior,
y basándonos en ello, a fin de determinar el comportamiento estructural bajo el régimen
elastoplástico, es propuesto el caso específico en el cual se genere un incremento importante
en la fuerza de tracción, es decir, con la que el equipo de maquinaria pesada en operación
avanza y dará desplazamiento al volumen de material determinado, por lo que dicho volumen
de material será desplazado al contacto con la cara frontal de la herramienta de implemento.
Figura IV.9.- Cargas y restricciones en herramienta de implemento
Por lo tanto, se tiene que la velocidad de desplazamiento frontal del equipo de maquinaria
pesada brindada a través de su tren de impulsión, genera el desarrollo de una fuerza de
tracción y así mismo la cara frontal de la herramienta de implemento la cual da contacto con
el volumen a desplazar presenta un área efectiva de trabajo la cual está dada por dos
longitudes alto y ancho de hoja, 3.940m y 1.690m respectivamente, lográndose un área de
trabajo igual a 6.6586m2 y por consiguiente una presión de reacción sobre tal área efectiva de
trabajo, la cual, en este caso específico propuesto será incrementada hasta los 500 000Pa, es
decir, ligeramente incrementada en 5 ocasiones de acuerdo al anterior análisis elástico, y en un
Capítulo IV 105
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
primer paso de carga aplicada, de manera tal que el comportamiento mecánico de este
elemento estructural sea ubicado en la región plástica, es decir, que sea obtenida una
deformación permanente en su estructura, generándose el análisis elastoplástico de dicha
estructura. Subsecuentemente, en un segundo paso de carga, será retirada la totalidad de la
presión aplicada sobre el área afectiva de trabajo, es decir, proceder a descargar a la estructura,
así aplicando una presión nula, igual con 0Pa, de lo anterior, será posible la visualización aún
de las deformaciones plásticas al ser estas permanentes, así como la obtención de los esfuerzos
residuales, que son aquellos que fueron inducidos por la aplicación de la carga a la estructura
con anterioridad, obteniendo de esta manera su último estado de esfuerzos a la descarga.
Además se ubica que iniciada la operación de desplazamiento de volúmenes los soportes de
los cilindros de levante, de las barras de sujeción y de los cilindros de inclinación quedan
restringidos en movimiento completamente en cualquier dirección, a excepción del soporte de
la barra estabilizadora que posee completa libertad.
Tabla IV.1.- Especificaciones de la hoja 8SU
IV.10.- Modelado y exportado de herramienta de implemento en CAD [IV.8]
De igual manera que en el capítulo anterior al obtener las dimensiones físicas del elemento
estructural, la herramienta de implemento, es modelado tridimensionalmente a través del
software Mechanical Desktop. Para la construcción de este elemento, fue necesaria la
elaboración de perfiles bidimensionales de cada uno de los elementos que la conforman, por
cuestiones de practicidad la construcción de cada uno de los elementos integrantes de la
herramienta de implemento fueron generados por separado, para su posterior ensamblaje. A
partir del modelo generado en Mechanical Desktop, generaremos un archivo tipo SAT,
Hoja Tipo 8SU Capacidad (SAE J1265) 8.7 m3 11.4 yd3 Ancho (sobre cantoneras) 3940 mm 12.9 pie Altura 1690 mm 5.5 pie Profundidad de excavación 575 mm 22.6 pulg. Espacio libre sobre el suelo 1225 mm 48.2 pulg. Inclinación máxima 883 mm 34.8 pulg Peso (sin controles hidráulicos) 4789 kg 10557 lb Peso total en orden de trabajo (con hoja y desgarrador de un solo vástago)
38488 kg 84850 lb
Capítulo IV 106
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
ubicando el menú “File” , se emplea la herramienta de exportación “Export” en la opción
“Desktop ACIS”, se selecciona el sólido requerido y la dirección de guardado, generándose así
el archivo del modelo con extensión SAT el cual será importado a ANSYS .
Figura IV.10.- Herramienta de implemento modelada en CAD
IV.11.- Requerimientos para análisis por Método del Elemento Finito [IV.9]
Para el desarrollo de las ecuaciones matriciales a través de un procesador matemático, ANSYS
es una herramienta óptima en el cumplimiento de estas tareas, por lo que tales son de alta
confiabilidad en la aplicación del MEF.
Figura IV.11.- Pantalla de arranque de ANSYS
Capítulo IV 107
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Los requerimientos para el análisis elastoplástico por el MEF con el software ANSYS están
conformados por los siguientes elementos.
• Definición geométrica de la herramienta de implemento
• Propiedades mecánicas del modelo estructural
• Tamaño y tipo de malla del elemento
• Definición de restricciones de desplazamiento
• Definición de la aplicación de carga y descarga
• Procesamiento del análisis elastoplástico
• Obtención e interpretación de esfuerzos y desplazamientos resultantes
• Visualización gráfica de esfuerzos y desplazamientos resultantes
IV.12.- Análisis elastoplástico por Método del Elemento Finito [IV.10]
A través del análisis elastoplástico por medio del Método del Elemento Finito aplicado a la
herramienta de implemento se pretende determinar los estados de esfuerzos generados en tal
modelo por condiciones propuestas al incrementar de manera importante la presión sobre el
área efectiva de trabajo en un primer paso obteniendo un comportamiento plástico y
posteriormente en un segundo paso al proceder a la descarga del modelo de acuerdo al
procesamiento del análisis elastoplástico que se encuentra estructurado en niveles o etapas de
actividad, preprocesamiento, procesamiento y postprocesamiento.
IV.12.1.- Preprocesamiento
En este nivel, el Preprocesamiento, se incluye el modelado del elemento estructural a analizar
e ingreso de los datos correspondientes, tales como las propiedades de material de los
materiales, parámetros y tipos de comportamiento, entre otros. Si bien este paso podemos
realizarlo dentro del mismo software de MEF, hemos utilizado un paquete de CAD para
generar la estructura o cuerpo de estudio, ya que ofrece mejores herramientas en el dibujo y
modelado del mismo, así mismo, se eligen el tipo y tamaño de los elementos que componen
nuestro mallado, generándose un archivo de datos en el cual se especifica al software los
parámetros con los que debe analizar.
Capítulo IV 108
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
• Modelado y definición de la geometría. Como ya se presentó anteriormente mediante
el soporte del CAD fue construido el modelo geométrico de la herramienta de
implemento, así mismo la creación del archivo con extensión tipo SAT a ser utilizado
en ANSYS. Una propiedad importante del archivo con extensión tipo SAT es el
conservar las características geométricas del modelo a exportar, así como la asociación
de la orientación espacial, aunque sean perdidas las propiedades paramétricas. Al hacer
la importación del archivo del modelo con extensión tipo SAT, inicialmente desde el
interior del software ANSYS emplearemos la herramienta de importación “Import,
SAT” ubicada en el menú principal “File” , una vez hecho esto se indicará la dirección
y el nombre de archivo convenientes, procesándose así la transferencia.
Figura IV.13.- Importación del modelo por SAT a ANSYS
• Definición de las propiedades del material. Al obtener la geometría del modelo
construida anteriormente en CAD mediante su importación, se procede a seleccionar el
análisis tipo estructural requerido para este caso de estudio, en “Main menu”,
“Preference”, “Structural” . Debido a que el modelo está constituido en su totalidad
por un mismo y único material este quedará definido por el material número 1,
quedando de la siguiente manera, para el caso del rango elástico de con el
comportamiento Estructural, Lineal, Elástico e Isotrópico, poseyendo un Módulo de
Young igual con 200x109Pa y una relación de Poisson de 0.28, siendo para el caso del
comportamiento en el rango plástico con un comportamiento Estructural, No lineal,
Capítulo IV 109
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Inelástico, Independiente a la velocidad, Plasticidad con endurecimiento cinemático,
Plasticidad de Mises, Multilineal (General), obteniendo el comportamiento
elastoplástico del modelo de acuerdo a las propiedades del material conocidas con
anterioridad, por lo que se tiene que el material posee un esfuerzo de cedencia igual
con 250MPa y un esfuerzo último de 400MPa, correspondiéndoles valores de
deformación iguales a 0.00125 y 0.0075 respectivamente, de acuerdo a la anterior
magnitud del Módulo de Young.
Figura IV.14.- Plasticidad con endurecimiento cinemático por Von Mises
• Selección del tipo de elemento y mallado. Al generar el correspondiente mallado de
la herramienta de implemento, es requerido la determinación de un elemento de
construcción, que para este caso de estudio se determinó emplear el elemento Tet 10
node187 en ANSYS el Solid 187, al ser un elemento de 10 nodos de alto orden en 3D,
tiene un comportamiento de desplazamiento cuadrático y es óptimo para el modelado
de mallas irregulares. Este elemento está definido por 10 nodos y 3 grados de libertad
en cada nodo, traslación en las direcciones de nodos x, y, z, teniendo plasticidad,
hiperelasticidad, larga deflexión y grandes capacidades de esfuerzo. Posteriormente es
seleccionado el volumen a mallar asignando las propiedades del material descritas
previamente y así finalmente generando el volumen mallado.
0 .1 .2 .3 .4 .5 .6 .7 .8 .9 1 (x10-2)
400
360
320
280
240
200
160
80
120
40
0
SIG
EPS
Capítulo IV 110
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura IV.15.- Mallado con elemento Tet 10 node187
IV.12.2.- Procesamiento
En esta etapa se realiza una verificación del modelado desde el nivel anterior ya que se
generarán a continuación las ecuaciones necesarias para la solución del problema como la
matriz de rigidez, su modificación y solución se obtiene mediante la evaluación de las
variables nodales, también se generan las cantidades de derivadas, así como los gradientes y
esfuerzos, que son visualizados hasta el postprocesamiento, de acuerdo a nuestros
requerimientos.
• Aplicación de presiones para carga-descarga y restricciones de movimiento. A
partir de la anterior interpretación de las condiciones bajo las que se encuentra la
herramienta de implemento en operación, fue posible visualizar que en los elementos
estructurales, tales como los soportes para cilindros hidráulicos de levante, de
inclinación y para barras de sujeción debe ser restringido el movimiento en todos los
grados de libertad, ya que, una vez iniciada la operación tales elementos quedan fijados
completamente, especificando que debido al diseño de la herramienta el movimiento
del soporte de la barra estabilizadora no se encuentra restringido en absoluto, así
mismo, iniciada la operación, al desplazamiento del volumen de material en cuestión
es generada por el equipo de maquinaria pesada una fuerza de tracción a su avance por
lo que es ejercida a manera de reacción por el volumen, que para el análisis
elastoplástico y en un primer caso de carga es aplicada de forma incrementada de
forma tal que se obtengan deformaciones permanentes, es decir, que el elemento
estructural tenga un comportamiento elastoplástico, a fin de lo anterior es aplicada una
presión determinada igual con 500000Pa aplicada directamente sobre el área efectiva
Capítulo IV 111
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
de empuje de la herramienta de implemento, posteriormente y como segundo paso de
carga se tiene que la presión ejercida sobre el área efectiva de empuje es retirada en su
totalidad, es decir, es nula con un valor de 0Pa, o en otras palabras el elemento
estructural es descargado.
Figura IV.16.- Restricción de grados de libertad en soportes
Figura IV.17.- Presión aplicada para primer paso de carga
IV.12.3.- Postprocesamiento
En este nivel son resueltas las condiciones de análisis y obtenidas las soluciones, así como la
posibilidad de visualizar de la ubicación de los resultados obtenidos a partir de las etapas
anteriores, tales como el estado de esfuerzos para ambos pasos de carga, las deformaciones,
distribuciones de esfuerzo, entre otros, las magnitudes y ubicación de las resoluciones son
presentados y visualizados de manera enriquecida por una simbología de colores, la cual nos
permite apreciar los valores máximos y mínimos de estos generados en la herramienta de
implemento, de lo anterior se tiene que de acuerdo al primer paso de carga, es decir, la carga y
a diferentes criterios de análisis se obtienen los siguientes resultados con la correspondiente
visualización a continuación mostrados.
Capítulo IV 112
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura IV.18.- Modelo básico y deformado
Figura IV.19.- Sumatoria de deformaciones en ejes x, y, z
Figura IV.20.- Esfuerzo principal S1 en la herramienta de implemento
0 .078 .237 .395 .554 .002 .157 .316 .481 .637m
-427e6 -145e6 136e6 418e6 700e6 -286e6 -4.61e6 277e6 559e6 842e6Pa
Capítulo IV 113
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura IV.21.- Esfuerzo principal S2 en la herramienta de implemento
Figura IV.22.- Esfuerzo principal S3 en soporte de la herramienta de implemento
Figura IV.23.- Esfuerzos por energía de distorsión máxima o Criterio de Von Mises
-853e6 -575e6 -298e6 -20.4e6 257e6 -714e6 -437e6 -159e6 118e6 396e6Pa
-535e6 -294e6 -53.8e6 187e6 428e6 -415e6 -174e6 66.6e6 307e6 548e6Pa
007e6 88.8e6 177e6 266e6 355e6 44.4e6 133e6 222e6 311e6 399e6Pa
Capítulo IV 114
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Considerando la ubicación espacial a la que está referenciado del modelo, se obtuvieron los
esfuerzos cortantes producidos en los tres ejes de accionamiento para el análisis elastoplástico.
Figura IV.24.- Esfuerzo cortante xy
Figura IV.25.- Esfuerzo cortante yz
Figura IV.26.- Esfuerzo cortante xz
-208e6 -116e6 -23.8e6 68.6e6 161e6 -162e6 -70.0e6 22.3e6 114e6 207e6Pa
-141e6 -75.3e6 -8.76e6 57.8e6 124e6 -108e6 -42.0e6 24.5e6 91.1e6 157e6Pa
-148e6 -75.3e6 -2.23e6 70.8e6 143e6 -111e6 -38.7e6 34.3e6 107e6 180e6Pa
Capítulo IV 115
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
• Deformaciones elastoplásticas. Como es posible visualizar de acuerdo a los
siguientes resultados obtenidos a partir del análisis elastoplástico realizado a la
herramienta de implemento y a la aplicación de la correspondiente presión sobre su
área efectiva de trabajo, se ubica así, la existencia de deformaciones elásticas y
plásticas en el elemento estructural, y de acuerdo a estas últimas localizándolas más
específicamente en el soporte de aplicación del cilindro hidráulico de levante, para
fines prácticos que pudiesen ser requeridos y obteniendo así que como consecuencia
del pasaje de un estado elástico a uno plástico se observan deformaciones permanentes
en el material a la aplicación de cierta magnitud de carga y aún una vez retiradas las
cargas o disipadas las tensiones. El comportamiento elastoplástico de un material, debe
estudiarse de igual manera en el proceso de descarga del material habiendo ubicadose
en el campo plástico y dependiendo de la historia previa de carga-descarga.
Figura IV.27.- Esfuerzos en deformación elástica
Figura IV.28.- Esfuerzos en deformación plástica
-195 490 1.17e3 1.86e3 2.54e3 148 833 1.51e3 2.20e3 2.88e3Pa
0 2.25e3 4.51e3 6.77e3 9.03e3 1.12e3 3.38e3 5.64e3 7.90e3 1.01e4Pa
Capítulo IV 116
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
• Esfuerzos residuales a la descarga. En un segundo paso de carga, la descarga, se
tiene que las presiones aplicadas sobre el área efectiva de empuje, es decir, los agentes
externos, son retiradas en su totalidad teniendo una magnitud final igual con 0Pa, y
que debido a la historia previa de carga, primer paso de carga, los esfuerzos residuales
inevitablemente se inducen dentro del elemento estructural, en este caso la herramienta
de implemento; diferentes tipos de esfuerzos residuales, como tales como tensión y
compresión aparecen una región que compone al elemento estructural, en este caso
más precisamente para el valor máximo, en el soporte de aplicación del cilindro
hidráulico de levante, que experimentó cambios dimensionales permanentes no
uniformes (deformaciones plásticas), permaneciendo en la estructura aún en ausencia
de cargas externas, resultando en que en alguna de las aplicaciones mecánicas del
componente diseñado, se presente la falla súbita del elemento o en dependencia a las
condiciones, una inesperada prolongación de la vida útil del componente, siendo este el
resultado, como lo fue propuesto para este análisis elastoplástico, la aplicación de
elementos exógenos, de forma tal que el esfuerzo alcanzado en esta región sobrepasó el
esfuerzo de cedencia del material. Este agente externo puede haberse aplicado en
forma homogénea, lo que produce en el interior del componente un endurecimiento por
deformación, o si el agente externo se aplicó en forma no homogénea, quedarán
inducidos esfuerzos residuales, como lo fue para el presente caso de análisis.
Figura IV.29.- Esfuerzos residuales a la descarga
-359 2.57e4 5.18e4 7.80e4 1.04e5 1.27e4 3.88e4 6.49e4 9.10e4 1.17e5Pa
Capítulo IV 117
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
IV.13.- Análisis de resultados
Al efectuar el análisis de los resultados anteriormente obtenidos visualizamos que para el
primer paso de carga, el valor máximo de esfuerzos S1 se obtuvo una magnitud de 842.111
MPa y que de acuerdo a los esfuerzos por energía de distorsión máxima o Criterio de Von
Mises el valor máximo de esfuerzo que se genera en la herramienta de implemento es de
399.944MPa, que resulta en una correlación aceptable, para una presión de aplicación sobre el
área efectiva de empuje de 500000Pa, consiguiendo su valor máximo en el soporte de
aplicación del cilindro hidráulico de levante. A la aplicación de la presión propuesta se obtiene
que es alcanzada en la misma región una deformación plástica con valor máximo, situación
concordante con el objetivo del análisis elastoplástico al posicionar en su rango plástico a la
estructura a fin de recopilar información acerca del comportamiento elastoplástico del
elemento estructural, obteniendo así la conclusión que para esta magnitud de presión aplicada
existirán deformaciones permanentes en la herramienta de implemento, siendo que para un
segundo paso de carga, definido como la descarga, es decir al retirar la aplicación del agente
externo, una presión igual con 0Pa, ya han sido inducidos los esfuerzos residuales
correspondientes propiamente a partir de su historia previa de carga, al haberse generado con
anterioridad, tras la aplicación de la carga, la deformación plástica resultando en que en alguna
de las aplicaciones mecánicas del componente diseñado, se presente la falla súbita del
elemento y modificando de forma irreversible el arreglo geométrico y diseño del elemento,
alterando así sus capacidades iniciales.
IV.14.- Sumario
Al presentar este capítulo es propuesto el análisis por método del elemento finito y la
correspondiente solución del elemento estructural denominado herramienta de implemento, a
fin de lograr mediante la aplicación de una presión propuesta incrementada importantemente
con respecto al anterior análisis, sobre el área efectiva de empuje, a manera de lograr generar
deformaciones permanentes en alguna región de la estructura, poniendo de manifiesto que el
elemento estructural ya es ubicado con un comportamiento en rango plástico, permitiendo
obtener así importante información acerca del comportamiento elastoplástico del elemento en
cuestión, a su vez retirada la presencia del agente externo la inducción de esfuerzos residuales
derivados de la producción de las anteriores deformaciones permanentes. Lo anterior obtenido
a partir del uso Método del Elemento Finito, a través de cada una de sus diferentes etapas,
Capítulo IV 118
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
incluyendo los diferentes elementos requeridos para tal como lo son las geometrías, modelas a
partir del empleo del ambiente CAD, ubicando además las propiedades del material, las
condiciones de frontera y aplicación de cargas obteniendo así como resultado los estados de
esfuerzo para ambos pasos de carga, además de la correspondiente deformación elastoplástica,
sugerida básicamente en los soportes de cilindros hidráulicos como puntos críticos, elementos
a analizar individualmente a continuación en este trabajo.
IV.15.- Referencias
1.- Chakrabarty, J., Theory of Plasticity, Ed. McGraw-Hill, pp1-3, 1962.
2.- A. Morris., Inestability and Plastic Collapse of Steel Structures. Granada, London (1983).
3.- Ch. Massonet y M. Save., Cálculo Plástico en las Construcciones. Montaner y Simón,
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Edición, pp. 172, 560, 1999.
5.- K. L. Majid, Non-Linear Structures. Butterworths, London (1972).
6.- Gurova, T., Teodosio, J. R., Rabello, J.M. y Monin, V., Model for the variation of the
residual stress state during plastic deformation under axial tension, Journal of Strain
Analisys, Vol. 33, No. 5, pp 367-373, 1998.
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8.- Shawna D. Ñockhart, Tutorial Mechanical Desktop version 5.0. Prentice Hall, pp. 105-240.
2002.
9.- Moaveni, S., Finite element analysis theory and application with ANSYS, Ed. Prentice Hall
pp. 6, 1999.
10.- ANSYS, Tutorial del programa versión 10, 2005.
CAPÍTULO V
ANÁLISIS NUMÉRICO
ELASTOPLÁSTICO
PARA SOPORTES DE
HERRAMIENTA DE
IMPLEMENTO
Capítulo V 120
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
V.1.- Elementos estructurales del sistema hidráulico en maquinaria pesada [V.1]
Un sistema hidráulico es una combinación de componentes críticos que transforman la
potencia en movimiento eficaz y sobre todo productivo. Un buen rendimiento de un sistema
hidráulico empieza con el diseño y fabricación de componentes de alta calidad. Por lo que
siempre se buscará un rendimiento superior en los componentes estructurales del sistema
hidráulico, eligiendo los componentes y equipos con diseño y fabricación más confiable.
La resistencia y durabilidad de todos los componentes estructurales del sistema hidráulico
comienza con la ingeniería innovadora. Utilizando sofisticados procesos tales como el análisis
de elementos finitos y una herramienta de diseño propia del cilindro, los componentes deben
estar diseñados para afrontar los retos de las aplicaciones más exigentes y duros entornos de
trabajo. Caterpillar es el mayor consumidor mundial de cilindros hidráulicos móviles. La
capacidad de fabricación global de Caterpillar incluye instalaciones dedicadas a la fabricación
de componentes estructurales del sistema hidráulico. Los materiales y procesos de fabricación
deben cumplir o exceder a la ASTM, DIN, ISO y SAE. Regularmente se aborda a la
metodología 6 Sigma, que ofrece un enfoque integrado, disciplinado y probado para ofrecer
una calidad excepcional, la reducción de costos y el valor del ciclo de vida mejorada. Los
fabricantes para lograr una reputación en creación de equipos robustos y fiables, incorporan
tecnologías mejoradas, tales como electrohidráulica o sistemas hidráulicos programables.
Además, los sistemas pueden ser diseñados para incluir bombas, motores, válvulas,
ventiladores, frenos, sistemas de dirección, transmisiones hidrostáticas, joysticks y mucho
más, lo que le permitirá cumplir con los requerimientos de la industria.
Los componentes estructurales del sistema hidráulico deben estar diseñados para soportar
fuerzas superiores en comparación con el trabajo promedio. Esto se logra mediante un correcto
diseño y el uso de cabezas de perno y paredes de tubo más gruesas así como materiales de más
alto grado de resistencia. Así estos productos ofrecerán cilindros de mayor diámetro y
longitudes. Los sistemas de sellado están diseñados para absorber los picos de presión,
aumentar la capacidad de soportar la carga lateral, y prevenir que entren contaminantes en el
fluido hidráulico y la salida del cilindro. Los materiales de sellado proporciona mayor vida útil
del sello a través de un rango de temperatura más amplio, una mejor resistencia al desgaste y
la compatibilidad con aceites biodegradables. Las vástagos de los cilindros son endurecidos
Capítulo V 121
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
por inducción antes de cromado. El endurecimiento por inducción impide que el vástago se
flexione, por otro lado el galvanizado de cromo mejora la resistencia a la corrosión, lo que
permite que los vástagos puedan permanecer libres de óxido en exceso por 96 horas durante
una prueba de ASTM con el método de pulverización de sal. Estos procesos también trabajan
en combinación para proporcionar una mayor protección del vástago de muescas y arañazos
provocados por piedras y residuos, que pueden causar disminución de la vida del sello y el
deterioro del vástago con el tiempo. Los vástagos están unidos a los ojos utilizando soldadura
por inercia, creando una junta para fuerzas superiores. La soldadura por inercia elimina los
defectos asociados con la soldadura por arco conocido a debilitar la junta. Una tuerca une al
pistón del cilindro con el vástago, lo que resulta en un conjunto de mayor resistencia, a través
de una combinación óptima del espesor de pared de la camisa y la fuerza del material. El
diámetro interior de la camisa está biselado y pulido para asegurar la concentricidad y la
rectitud y proporcionar un acabado superior para un mejor sellado y una mayor vida útil. Las
paredes de las camisas más gruesos permiten mayor capacidad de remanufactura. Los
cilindros pueden ser rectificados, hasta tres veces, en algunos casos, y cuando se combina con
conjuntos de sellos de reemplazo, puede extender la vida útil del cilindro. Cada cilindro debe
ser probado antes de salir de fábrica para garantizar un producto de calidad.
El diseño y la capacidad de fabricación se han mejorado mediante el uso de materiales de
primera calidad, una gran variedad de procesos de tratamiento térmico y tratamiento de
superficies de alta rendimiento, ofreciendo un rendimiento superior al proporcionar un mayor
valor del ciclo de vida que respondan a las necesidades de aplicación.
Las máquinas actuales, debido a unas exigencias cada vez mayores de velocidad y precisión
en la operación, van equipadas con multitud de componentes estructurales del sistema
hidráulico, más complejos y con tolerancias más precisas para asegurar la máxima fiabilidad y
adaptar los equipos a las necesidades de la industria. El control de los procesos de diseño,
pruebas y fabricación, contribuye a asegurar las más altas prestaciones de la máquina, mayor
duración de los componentes y menores costes de operación y mantenimiento.
El diseño sobre los elementos estructurales del sistema hidráulico de las máquinas, tienen un
efecto directo sobre la rentabilidad de su trabajo. Elementos estructurales del sistema
Capítulo V 122
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
hidráulico fiables, eficientes y bien mantenidos ayudarán a sacar más trabajo cada día, a la vez
que mantendrá un mejor control de los costes de operación.
El factor más importante a la hora de mantener la eficiencia del sistema hidráulico y sus
elementos estructurales al adquirir una máquina es el control de contaminación. Los
contaminantes son el enemigo número uno de los sistemas hidráulicos y sus estructuras. Es
importante entender qué es la contaminación, cómo se origina, por qué es peligrosa y cómo se
puede controlar correctamente en equipos de maquinaria pesada.
El mantener los sistemas hidráulicos libres de contaminación, comienza por un adecuado
control de contaminación en fábrica y la disposición del servicio de análisis de fluidos S.O.S.,
que ayudará a saber en todo momento el estado de los fluidos de la máquina y, de esta manera,
poder detectar a tiempo partículas contaminantes que pueden producir daños muy graves en
los equipos. Así como la disposición de contratos de mantenimiento, que ayudarán y
contribuirán a llevar un buen mantenimiento de la máquina, siguiendo los intervalos de
cambio de aceite y filtros y manteniendo totalmente controlado el nivel de contaminación
mediante el análisis de fluidos S.O.S..
V.1.1.-Mangueras [V.2]
Caterpillar es el único fabricante de equipo pesado que diseña y fabrica su propia gama de
mangueras y acoplamientos. Las mangueras y acoplamientos deben exceden los estándares
exigidos por la industria para este tipo de componentes. Estos componentes se diseñan y
prueban y someten a duras pruebas antes de entrar en su fase de producción, para asegurar la
máxima calidad en los conjuntos ya terminados, por lo que estos componentes se han
convertido en un estándar de calidad y fiabilidad superior.
Existe una completa gama de mangueras para alta, media y baja presión, así como para
aplicaciones especiales. La resistencia a la abrasión es una de las características clave de las
mangueras. Sin sacrificar su capacidad de flexión. Fruto de la constante labor de desarrollo e
investigación ha nacido una nueva gama de mangueras dotadas de una cubierta especialmente
diseñada para resistir a la abrasión y a la acción de otros agentes externos. Estas mangueras
han sido sometidas durante su fase de pruebas a más de 2000000 de ciclos de desgaste en las
Capítulo V 123
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
peores condiciones, pasando todas los test y consiguiendo además, con este diseño, conservar
sus propiedades de flexión para un mejor ruteado de los circuitos.
V.1.2.- Acoplamientos
Existe una amplia y completa gama de acoplamientos permanentes y reutilizables, válida para
cualquier fabricante de maquinaria y aplicaciones. Los acoplamientos reutilizables, pueden
producir un ahorro de hasta un 30% en los costes al reemplazar la manguera, respecto de los
conjuntos con acoplamientos permanentes. Estos acoplamientos se pueden reutilizar en varias
ocasiones en función de su estado una vez recuperado, que se determina siguiendo los
criterios de reutilización.
V.1.3.- Bombas y motores hidráulicos [V.3]
Los fabricantes de componentes hidráulicos, también fabrica sus propias bombas y motores,
incluyendo modelos de engranajes y pistones que se encuentran en la vanguardia de la
tecnología. Las bombas y motores se diseñan y fabrican con tolerancias metal-metal muy
reducidas, acorde a las exigencias de los sistemas hidráulicos actuales, necesarios para
satisfacer las necesidades de precisión y velocidad que demanda la industria. Por esta razón se
hace necesario el análisis de fluidos S.O.S., con el que es posible detectar desgastes
prematuros en el interior de las bombas, que podrían producir una grave avería de nuestra
máquina, de no tomar acciones de mantenimiento preventivas sobre estos componentes.
Ante un fallo o indicios de desgaste en una bomba o motor hidráulico, hay que tener también
en cuenta que muchas de las bombas y motores pueden ser reconstruidos, lo que permite
reparaciones rápidas y económicas que ofrecen la misma calidad que los productos nuevos.
V.1.4.- Sellos
Los sellos para cilindros son especialmente diseñados para los sistemas hidráulicos. Los
materiales de primera calidad y la precisión de las dimensiones permiten que los sellos
ofrezcan un rendimiento y una durabilidad superiores, por lo que existe la disposición una
amplia gama de sellos, embalajes que contienen todos los sellos necesarios para realizar una
operación de resellado completo de un cilindro. Para una mayor durabilidad de sus sellos y
Capítulo V 124
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
cilindros, siempre que se realice una operación de resellado es altamente recomendable
realizar un bruñido ligero interno de la camisa.
V.1.5.- Válvulas
Las válvulas se fabrican con el fin de proporcionar el máximo control al operador. Las
avanzadas técnicas de mecanizado y el diseño de los componentes para conseguir tolerancias
metal-metal muy ajustadas, consiguen un nivel de rendimiento y control superior para las
máquinas.
V.1.6.- Cilindros hidráulicos [V.4]
Los cilindros hidráulicos de las máquinas son los encargados de transformar la potencia
hidráulica generada por las bombas y transportada por las mangueras, en potencia mecánica de
movimiento. Son, por lo tanto, elementos fundamentales en todo sistema hidráulico. Por lo
que se diseñan, prueban y fabrican cuidadosamente los componentes que forman parte del
conjunto del cilindro hidráulico, para conseguir la máxima fiabilidad y calidad de estos
conjuntos.
Siendo conscientes de la importancia de estos componentes en la máquina, y en el afán de
reducir al mínimo los tiempos de parada del equipo, existe por parte de los fabricantes la
disposición de programas de intercambio de cilindros reconstruidos.
V.1.7.- Camisas
Mediante el proceso automatizado de rebajado y pulido, se consigue generar un orificio
interno altamente simétrico, con un acabado superficial que prolonga la vida de los sellos y
facilita el lubricado interno del cilindro durante su operación. El grosor de las paredes de la
camisa permite rectificar las desgastadas a sobremedida, lo cual, mediante la utilización de
juntas adecuadas a esta nueva sobremedida y prolongar la vida útil de estos componentes.
V.1.8.- Soporte de aplicación del cilindro hidráulico
La junta entre el ojo y la barra del vástago, en los componentes nuevos y remanufacturados,
así como la unión de los soportes de aplicación de fuerza del cilindro hidráulico en la
herramienta de implemento para obtener el movimiento de esta, son las zonas más críticas al
Capítulo V 125
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
existir desplazamiento en cualquier dirección del cilindro hidráulico, por lo que se
manufacturan mediante soldadura continua por fricción, consiguiendo una unión sólida y
continua en toda la superficie de unión de las dos piezas y no sólo en el perímetro, como
ocurre en una soldadura tradicional. Los vástagos se fabrican en acero cromado tratado con un
proceso de endurecimiento térmico (templado) por inducción, con el cual se consigue un
equilibrio óptimo entre resistencia, acabado superficial y resistencia a los impactos.
Figura V.1.- Soportes en herramienta de implemento para aplicación de cilindros hidráulicos
V.2.- Dimensionamiento de soportes para cilindros hidráulicos
Las dimensiones de los soportes de aplicación de los cilindros hidráulicos de lavante e
inclinación para el desplazamiento de herramienta de implemento, hoja semiuniversal, del
equipo Bulldozer D8T de Caterpillar fueron investigadas por diferentes medios en
publicaciones e información impresa y electrónica pertenecientes al fabricante Caterpillar y
usuarios no consiguiendo resultado alguno, al encontrarse restringido por razones de
patentamiento. Por lo anterior y contándose con disponibilidad física de los componentes
estructurales por parte de Caterpillar Inc. fueron obtenidas mediante la medición física
rigurosa de ambos componentes estructurales que conforman a la herramienta de implemento,
con el fin de obtener mediciones más precisas estas fueron registradas a partir de un ejemplar
de recientemente ensamblado, es decir, no presentando desgaste alguno, a manera de la
obtención de dimensiones verdaderamente precisas para ambos componentes.
Capítulo V 126
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura V.2.- 1) Soporte de cilindro de inclinación, 2) Soporte de cilindro de levante
V.3.- Condiciones de soportes de cilindros hidráulicos para análisis elastoplástico [V.5]
En este capítulo, serán analizados elastoplásticamente y de forma individual cada uno de los
soportes para la aplicación de los cilindros hidráulicos, obteniéndose así el desplazamiento
controlado de la herramienta de implemento en conjunto, es decir, para los cilindros de levante
y para los cilindros de inclinación, propiamente a través del análisis del capítulo anterior al
haber sido detectados los puntos críticos ante la falla y las deformaciones permanentes en
estos componentes estructurales de la herramienta de implemento, de lo anterior obtenemos
que las cargas y restricciones a las que son sometidos los soportes de los cilindros hidráulicos
durante la operación del equipo de maquinaria pesada son determinadas a través de la
visualización del funcionamiento del equipo en conjunto con el de la herramienta de
implemento, así como derivadas de las características propias de diseño, desempeño y
funcionamiento de estos componentes involucrados en el movimiento de volúmenes de
materiales, tales como el motor, la servotransmisión, entre otros.
De manera tal y a fin de determinar el comportamiento estructural bajo el régimen
elastoplástico, es propuesto el caso específico en el cual se genere una importante presión
aplicada sobre el área de contacto por parte de ambos componentes estructurales, es decir,
entre el área de contacto de los soportes para la aplicación de los cilindros hidráulicos y el área
de contacto con la cara anterior de la herramienta de implemento, donde en el ensamblaje total
son ubicados de manera unida.
Capítulo V 127
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura V.3.- Soportes de cilindros hidráulicos, componentes críticos
Por lo tanto, se tiene que es generada una presión aplicada por parte de la cara anterior de la
herramienta de implemento sobre el área efectiva de contacto, la cual, en este caso específico
propuesto será ubicada en los 5MPa, para el caso específico del soporte para inclinación y de
10MPa, para el caso del soporte para levante, en un primer paso de carga aplicadas, de manera
tal que el comportamiento mecánico de tales elementos estructurales sea ubicado en su región
plástica, es decir, que sean obtenidas deformaciones permanentes en sus estructuras,
generándose el análisis elastoplástico para cada una de las estructuras. Continuamente, en un
segundo paso de carga, serán retiradas en su totalidad las presiones aplicadas sobre los áreas
afectivos de contacto, es decir, proceder a descargar a las estructuras, así aplicándoles
presiones nulas, igual con 0Pa, de lo anterior, será posible la visualización aún de las
deformaciones plásticas al ser estas permanentes, así como la obtención de los esfuerzos
residuales, que son aquellos que serán inducidos por las aplicaciones de las presiones a las
estructuras con anterioridad, obteniendo de esta manera sus últimos estados de esfuerzos a la
descarga.
Además se ubica que al igual que en los anteriores análisis, una vez iniciada la operación de
desplazamiento de volúmenes por parte del equipo, el área que entra en contacto directo con
los cilindros hidráulicos, es decir, el muñón, por parte del soporte para levante y el ojo por
parte del soporte para inclinación quedan restringidas en movimiento completamente en
cualquier dirección o grado de libertad.
Capítulo V 128
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
V.4.- Modelado y exportado de soportes para levante e inclinación en CAD [V.6]
Al determinar las dimensiones físicas de cada uno de los elementos estructurales, el soporte
para levante y el soporte para inclinación, son modelados tridimensionalmente a través del
software Mechanical Desktop. Para la construcción de estos modelos, fue necesaria la
elaboración de perfiles bidimensionales de cada uno de los elementos que los integran. De tal
manera que una vez generados los modelos tridimensionales en CAD, generaremos para cada
modelo un archivo tipo SAT, ubicando el menú “File” , se emplea la herramienta de
exportación “Export” en la opción “Desktop ACIS”, se selecciona el sólido requerido y la
dirección de guardado, generándose así los archivos de los modelos con extensión SAT los
cuales serán importado al software de Método del Elemento Finito.
Figura V.4.- Modelos de 1) soporte para inclinación y 2) soporte para levante, en CAD
V.5.- Elementos necesarios para análisis elastoplástico por MEF [V.7]
Para este caso el análisis elastoplástico de igual manera será soportado por el software de
simulación por Método del Elemento Finito, Ansys. Por lo que a continuación son desglosados
los requerimientos necesarios para que el software llegue a la resolución de los análisis
propuestos.
• Definición geométrica de los soportes para inclinación y levante
• Propiedades mecánicas del material empleado para ambas estructuras
• Tamaño y tipo de malla del material en común
• Definición de restricciones de desplazamiento para cada soporte
• Definición de las aplicaciones de carga y descarga para los áreas de contacto
• Procesamiento de cada análisis elastoplástico
Capítulo V 129
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
• Resolución, visualización e interpretación de esfuerzos y desplazamientos resultantes
para cada análisis elastoplástico
Figura V.5.- ANSYS como software de simulación
V.6.- Análisis elastoplásticos de soportes por MEF [V.8]
Primeramente es comentado que serán presentados para este actual capítulo ambos análisis
elastoplásticos, es decir, para el soporte de levante y para el soporte de inclinación, de manera
conjunta ya que han sido desarrollados en manera interrelacionada compartiendo las mismas
propiedades por ser manufacturados con el mismo material y al pretenderse determinar los
estados de esfuerzos generados en cada modelo dentro de su rango plástico, por condiciones
similarmente propuestas al aplicar presiones sobre el área efectiva de contacto en un primer
paso obteniendo así mismo un comportamiento plástico y posteriormente en un segundo paso
al proceder a la descarga de acuerdo al procesamiento de los niveles o etapas de actividad,
preprocesamiento, procesamiento y postprocesamiento de ambos modelos.
V.6.1.- Preprocesamientos
En el Preprocesamiento, son introducidos los datos requeridos por cada modelo, tales como
las propiedades del material en común, parámetros y tipos de comportamiento, entre otros, una
vez ya definido las geometrías en cada análisis por modelo. Se ha empleado en ambos casos
un paquete de CAD para generar las estructuras para los análisis elastoplásticos, pudiendo
también sido generados en el mismo software de simulación, aunque el ambiente CAD ofrece
mejores herramientas de modelado, de igual manera ha sido seleccionado el mismo elemento
en común para ambos casos al ejecutar el mallado para cada uno de los análisis de los modelos
en cuestión.
Capítulo V 130
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
• Modelados y definiciones de las geometrías. A partir del ambiente CAD han sido
generados los modelados de cada uno de los soportes para cilindros hidráulicos, así
mismo se generarán los archivos con extensión tipo SAT a ser empleados en ANSYS.
Los archivos con tipo SAT conservan las características geométricas de los modelos a
exportar, así como la asociación de la orientación espacial, pero perdidas las
propiedades paramétricas. Al hacer la importación del archivo del modelo con
extensión tipo SAT, inicialmente desde el interior del software ANSYS emplearemos la
herramienta de importación “Import, SAT” ubicada en el menú principal “File” , con la
dirección y nombre indicados.
Figura V.6.- Importación de archivos SAT para cada soporte
• Definición de las propiedades del material en común. En ambos análisis
elastoplásticos logrando las geometrías de los modelos construida en ambiente CAD e
importarse, se procede a la selección del análisis tipo estructural requerido para este
caso de análisis, en “Main menu”, “Preference”, “Structural” . A partir de que ambos
modelos están manufacturados por un mismo y único material al igual que la
herramienta de implemento este quedará definido por el material número 1, quedando
descrito para un rango elástico el comportamiento Estructural, Lineal, Elástico e
Isotrópico, poseyendo un Módulo de Young igual con 200x109Pa y una relación de
Poisson de 0.28, siendo para el rango plástico con un comportamiento Estructural, No
lineal, Inelástico, Independiente a la velocidad, Plasticidad con endurecimiento
cinemático, Plasticidad de Mises, Multilineal (General), así mismo el material posee
un esfuerzo de cedencia igual con 250Mpa y un esfuerzo último de 400MPa,
correspondiéndoles valores de deformación iguales a 0.00125 y 0.00625
respectivamente, de acuerdo a la anterior magnitud del Módulo de Young.
Capítulo V 131
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura V.7.- Plasticidad con endurecimiento cinemático por Von Mises para ambos casos
• Selecciones del tipo de elemento y mallados. Al proceder a generar los mallados para
cada geometría, se determina que el elemento a emplear en la construcción para estos
análisis sea el elemento Tet 10 node187, al haber obtenido satisfacción en anteriores
análisis al ser un elemento de 10 nodos de alto orden en 3D, tiene un comportamiento
de desplazamiento cuadrático y es óptimo para el modelado de mallas irregulares. Este
elemento está definido por 10 nodos y 3 grados de libertad en cada nodo, traslación en
las direcciones de nodos x, y, z, teniendo plasticidad, hiperelasticidad, larga deflexión y
grandes capacidades de esfuerzo, finalmente son seleccionados los volumen a mallar
asignándose así las propiedades del material en común para ambos casos.
Figura V.8.- Mallado de soportes con elemento Tet 10 node187
0 .1 .2 .3 .4 .5 .6 .7 .8 .9 1 (x10-2)
400
360
320
280
240
200
160
80
120
40
0
SIG
EPS
Capítulo V 132
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
V.6.2.- Procesamientos
En este nivel de actividad será verificados los datos introducidos con anterioridad y se
generarán a partir de estos las ecuaciones necesarias para la resolución de los análisis
elastoplásticos para cada caso de estudio tales como la matrices de rigidez, sus modificaciones
y resoluciones son obtenidos mediante las evaluaciones de las variables nodales, las
cantidades de derivadas, así como los gradientes y esfuerzos, que serán visualizados hasta la
siguiente etapa, el postprocesamiento, en ambos análisis.
Figura V.9.- Restricciones de movimiento en áreas de contacto directo con cilindros
• Aplicación de presiones para carga-descarga y restricciones de movimiento. Con
los correspondientes análisis de las condiciones bajo las que se encuentran los soportes
de aplicación de los cilindros hidráulicos, de levante e inclinación se visualiza que en
tales elementos estructurales, debe ser restringido el movimiento en todos los grados
de libertad, específicamente en los áreas de contacto directo con los cilindros
hidráulicos, ya que, una vez iniciada la operación quedan restringidos completamente,
especificando que debido al diseño de la herramienta de implemento, iniciada la
operación, al desplazamiento del volumen de material serán generadas para ambos
componentes estructurales, es decir, los soportes, presiones en sus áreas de contacto
con la cara anterior de la herramienta de implemento provocadas a partir de esta
misma, que para el análisis elastoplástico y en un primer caso de carga es aplicada de
forma incrementada de forma tal que se obtengan deformaciones permanentes, es
decir, a fin de que los elementos estructurales tengan un comportamiento
elastoplástico, por lo que es aplicada una presión determinada igual con 5MPa para el
Capítulo V 133
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
análisis elastoplástico del soporte del cilindro de inclinación y para el análisis
elastoplástico del soporte del cilindro de levante aplicada una presión de 10MPa
directamente sobre el área efectiva de contacto con la cara anterior de la herramienta
implemento y finalmente como segundo paso de carga se tiene que las presiones
ejercidas sobre el área efectiva de contacto en cada caso sea retirada en su totalidad, es
decir, descargados, con un valor nulo igual con es nula con 0Pa.
Figura V.10.- Presiones aplicadas en áreas de contacto con cara anterior de la herramienta
V.6.3.- Postprocesamientos
En esta etapa de actividad a partir de las condiciones de los análisis elastoplásticos para cada
uno de los casos de estudio son obtenidas las soluciones, posibilitando el visualizar la
ubicación espacial de los resultados requeridos a partir de los niveles anteriores, que para
ambos análisis elastoplásticos serán determinados, como el estado de esfuerzos para ambos
pasos de carga, las deformaciones, distribuciones de esfuerzo, entre otros, tales magnitudes y
ubicaciones de los resultados requeridos serán visualizados de manera simbólica en colores,
que determinarán la intensidad de su magnitud, lo que permite apreciar los valores máximos y
mínimos de estos generados para cada uno de los análisis elastoplásticos de ambos
componentes, de lo anterior se tiene que de acuerdo al primer paso de carga propuesto en cada
análisis, es decir, la carga y a diferentes criterios de medición han sido generados los
siguientes resultados.
Capítulo V 134
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura V.11.- Modelos básicos y deformados de los soportes
Figura V.12.- Sumatoria de deformaciones en ejes x, y, z en soportes
Figura V.13.- Esfuerzos principales S1 en soportes
0 .006 .013 .020 .027 .003 .010 .017 .024 .030m
0 .015 .031 .047 .062 .007 .023 .039 .054 .070m
-112 -3.79 104 212 321 -57.9 50.3 158 267 375MPa
-280 -102 75.3 253 431 -191 -13.6 164 342 520MPa
Capítulo V 135
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Figura V.14.- Esfuerzo principal S2 en soportes
Figura V.15.- Esfuerzo principal S3 en soportes
Figura V.16.- Esfuerzos por energía de distorsión máxima o Criterio de Von Mises
-482 -313 -145 23.5 192 -398 -229 -60.8 107 276MPa
-117 -69.5 -21.4 26.5 74.6 -93.5 -45.5 2.53 50.5 98.6MPa
-397 -305 -212 -120 -28.4 -351 -259 -166 -74.5 17.6MPa
-738 -557 -376 -195 -14.6 -647 -466 -285 -105 75.8MPa
.829 35.7 60.7 95.7 120 18.3 43.2 78.2 103 138MPa
.986 49.4 97.9 136 174 25.2 73.6 122 160 199MPa
Capítulo V 136
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
De acuerdo a las orientaciones cartesianas en las que se encuentran referidos ambos modelos
por igual, se visualizan los esfuerzos cortantes producidos en cada uno de los tres ejes de
accionamiento para cada análisis elastoplásticos para sus correspondientes soportes.
Figura V.17.- Esfuerzos cortantes xy
Figura V.18.- Esfuerzos cortantes yz
Figura V.19.- Esfuerzo cortante xz
-167 -93.2 -19.4 54.4 128 -130 -56.3 17.5 91.3 165MPa
-170 -95.0 -19.7 55.6 130 -132 -57.3 17.9 93.2 168MPa
-229 -128 -26.2 75.5 177 -178 -77.1 24.6 126 228MPa
-153 -83.6 -13.6 56.3 126 -118 -48.6 21.3 91.4 161MPa
-139 -75.8 -12.6 50.6 113 -107 -44.2 18.9 82.2 145MPa
-191 -105 -20.8 64.2 149 -148 -63.4 21.7 106 192MPa
Capítulo V 137
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
• Deformaciones elastoplásticas. Se visualiza que de acuerdo a los siguientes
resultados obtenidos a partir del análisis elastoplástico realizado a ambos componentes
estructurales, los soportes, y a la aplicación de las correspondientes presiones sobre su
área efectiva de contacto con la cara anterior de la herramienta de implemento, se
ubica así, espacial y cuantitativamente la existencia de deformaciones elásticas y
plásticas para cada uno de los elementos estructurales y obteniendo así que como
consecuencia del pasaje de un estado elástico a uno plástico se generan deformaciones
permanentes y aún una vez retiradas las cargas o disipadas las tensiones. El
comportamiento elastoplástico de un material, debe estudiarse de igual manera en el
proceso de descarga del material habiendo ubicadose en el campo plástico con
anterioridad.
Figura V.20.- Esfuerzos en deformaciones elásticas en soportes
Figura V.21.- Esfuerzos en deformaciones plásticas en soportes
0 5.83 11.6 17.5 23.3 2.91 8.75 14.5 20.4 26.2kPa
0 .501 1.00 1.50 2.00 .251 .752 1.25 1.75 2.25kPa
.003 .475 .946 1.41 1.88 .239 .711 1.18 1.65 2.12kPa
.0006 .381 .762 1.14 1.52 .191 .572 .952 1.33 1.71kPa
Capítulo V 138
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
• Esfuerzos residuales a la descarga de los soportes. Al segundo paso de carga, es
decir, en la descarga, se tiene que las presiones aplicadas sobre los áreas efectivos de
contacto con los cilindros hidráulicos, es decir, los agentes externos, son retirados en
su totalidad teniendo magnitudes finales iguales a 0Pa, y que debido a su respectiva
historia previa de carga, primer paso de carga, fue provocada la generación de los
correspondientes esfuerzos residuales dentro de cada uno de los elementos
estructurales, que para los análisis elastoplásticos en cuestión han sido el soporte para
la aplicación del cilindro de levante y el soporte para la aplicación del cilindro de
inclinación, la diversidad de esfuerzos residuales, tanto de tensión como de
compresión aparecieron en las regiones cercanas a las superficies en contacto directo
con los vástagos de cada uno de los cilindros hidráulicos de aplicación de igual manera
para ambos análisis elastoplásticos, ubicándose así de igual manera los valores
máximos, cabe mencionar que ambas estructuras sufrieron cambios dimensionales
permanentes no uniformes (deformaciones plásticas), permaneciendo en las estructuras
aún en ausencia de cargas externas, resultando en que en alguna de las aplicaciones
mecánicas de cada componente analizado, se presente su falla súbita, de forma tal que
el esfuerzo alcanzado en estas regiones sobrepasó el esfuerzo de cedencia del material,
produciéndose en el interior de los componentes un endurecimiento por deformación, o
en su defecto la inducción de esfuerzos residuales como los visualizados a
continuación.
Figura V.22.- Esfuerzos residuales a la descarga en los soportes
.002 3.14 6.29 9.43 12.5 1.57 4.72 7.86 11.0 14.1kPa
.036 61.8 123 185 247 30.9 92.6 154 216 277kPa
Capítulo V 139
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
V.7.- Análisis de resultados
A partir de los análisis realizados es logrado determinar la solución para ambos casos de
estudio, primeramente en el caso de estudio propuesto para el soporte de aplicación del
cilindro hidráulico de inclinación se consigue para el primer paso de carga, un valor máximo
de esfuerzos S1 cuya magnitud es igual con 520.171MPa y que de acuerdo a los esfuerzos por
energía de distorsión máxima o Criterio de Von Mises el valor máximo de esfuerzo que se
genera en el componente es de 226.505MPa, que resulta en una correlación aceptable, para
una presión de aplicación sobre el área efectiva de contacto de 5MPa, obteniendo el valor
máximo en el área más cercana al contacto directo con el cilindro hidráulico de inclinación.
De igual manera en el caso de estudio propuesto para el soporte de aplicación del cilindro
hidráulico de levante se consigue para el primer paso de carga, un valor máximo de esfuerzos
S1 cuya magnitud es igual con 375.328MPa y que de acuerdo a los esfuerzos por energía de
distorsión máxima o Criterio de Von Mises el valor máximo de esfuerzo que se genera en el
componente es de 168.579MPa, que resulta en una correlación aceptable, para una presión de
aplicación sobre el área efectiva de contacto de 10MPa, obteniendo el valor máximo en el área
más cercana al contacto directo con el cilindro hidráulico de levante. Con la aplicación de las
presiones propuestas en cada uno de los soportes se obtiene que son alcanzadas regiones con
deformación plástica, situación esperada al analizarlos bajo las condiciones propuestas al
ubicar en un rango plástico a las estructuras a fin de verificar el comportamiento elastoplástico
de los elementos estructurales, obteniendo así la conclusión que para estas magnitudes de
presión aplicadas y bajo las condiciones propuestas existirán deformaciones permanentes en
los componentes, siendo que para un segundo paso de carga, definido como la descarga, es
decir al retirar la aplicación del agente externo, una presión igual con 0Pa, han sido
provocados esfuerzos residuales correspondientes a las historias de carga previas, de igual
manera, tras la aplicación de las cargas, la generación de las deformación permanentes, así
abriendo la posibilidad de presentarse la falla súbita de cada elemento, alterando
permanentemente la composición geométrica y capacidades iniciales de diseño.
V.8.- Sumario
En el presente capítulo fueron propuestos los análisis por método del elemento finito de los
componentes visualizados como críticos en el anterior capítulo, siendo estos los soportes de
aplicación de los cilindros de levante e inclinación, dándoles solución a manera de conseguir
Capítulo V 140
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
deformaciones permanentes en alguna de las regiones de los componentes estructurales,
permitiendo obtener así importante información acerca del comportamiento elastoplástico de
los elementos en cuestión, a su vez retiradas las presencias de los agentes externos se provoca
la inducción de esfuerzos residuales derivados de la producción de las anteriores
deformaciones permanentes. A partir del uso del Método del Elemento Finito y a través de
cada una de sus diferentes etapas, incluyendo los diferentes elementos requeridos para tal
como lo son las geometrías, modelas a partir del empleo del ambiente CAD, ubicando además
las propiedades del material, las condiciones de frontera y aplicación de cargas obteniendo así
como resultados para cada uno de los análisis elastoplásticos de manera independiente los
estados de esfuerzo para ambos pasos de carga, las deformaciones permanentes, sugiriendo de
manera tal referencias para su mejora mecánica.
V. 9.- Referencias
1.- Caterpillar Inc., Heavy Duty Bolted Cylinders, Peoria Illinois, U.S.A., Ed. Caterpillar Inc.,
pp 16, 2006.
2.- Caterpillar Inc., Medium Duty Threaded Cylinders, Peoria Illinois, U.S.A., Ed. Caterpillar
Inc., pp 16, 2006.
3.- Caterpillar Inc., Position Sensing Cylinders, Peoria Illinois, U.S.A., Ed. Caterpillar Inc., pp
16, 2006.
4.- Caterpillar Inc., Service Information System, D8T Track Type Tractor, Implement Pump,
Test and Adjust, Peoria Illinois, U.S.A., Ed. Caterpillar Inc., pp 11, 2012.
5.- Caterpillar Inc., D8T Track TypeTractor , Peoria Illinois, U.S.A., Ed. Caterpillar Inc., pp
20, 2011.
6.- Shawna D. Ñockhart, Tutorial Mechanical Desktop version 5.0. Prentice Hall, pp. 105-240.
2002.
7.- Moaveni, S., Finite element analysis theory and application with ANSYS, Ed. Prentice Hall
pp. 6, 1999.
8.- ANSYS, Tutorial del programa versión 10, 2005.
CONCLUSIONES Y
DISCUSIONES
Conclusiones y discusiones 142
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Conclusiones y discusiones
A partir del desarrollo de este trabajo de investigación se obtuvieron resultados satisfactorios
por lo que se presentan las siguientes conclusiones.
• A partir de la visualización en operación de la herramienta de implemento en
operación se plantean de las condiciones mecánicas generadas por los agentes externos
que actúan en tal elemento estructural.
• Efectuando una profunda búsqueda bibliográfica no se encontraron estudios o
referencias de resultados a cerca del comportamiento mecánico de elementos
estructurales con aplicación al ramo de la maquinaria pesada. Por esta razón procedió a
la realización de este trabajo, considerando condiciones bajo las que efectúa la
operación. Pudiéndo mencionar así las presiones efectuadas tras el movimiento de
materiales y las propias restricciones que ejerce el propio equipo de maquinaria pesada
a la operación.
• Como se ha visto en el estado del arte, la evolución de la maquinaria pesada en el
mundo, ha tenido etapas de desarrollo hasta llegar a la implementación de sistemás
electrohidráulicos, como los presentados en el equipo de maquinaria pesada estudiado
en la presente investigación. así que se analiza la importancia del incremento de las
capacidades de los elementos estructurales, extendiendo así la vida útil de tales
componentes y del equipo de maquinaria pesada en cojunto.
• Así mismo, posteripormente fue posible determinar la gran importancia que han
cobrado los desarrollos tecnológicos, tales como los materiales de fabricación, así
como la necesidad del constante incremento en las capacidades de resistencia ante
esfuerzos para el desarrollo de esta tecnología.
• En el desarrollo de esta investigación, especificamente en el modelado del ensamble de
la herramienta de implemento presentaría una dificultad debido a la irregularidad de
los áreas y volúmenes compartidos entre los componentes de la herramienta. esta
problemática fue disipada mediante la aplicación de un programa de modelado CAD,
que facilitó su construcción, procesamiento y exportación al programa de elementos
finitos.
• Se menciona que la construcción del modelo se realizó por medio de una ingeniería
comparativa tomando como base la medición física de cada uno de los componentes de
la herramienta de implemento.
Conclusiones y discusiones 143
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
• La investigación que se desarrollo en este trabajo fue elaborada en su totalidad
mediante la utilización computacional del Elemento finito ANSYS, por lo que se
determina que este programa a probado ser una excelente herramienta de cálculo para
la determinación de deformaciones elásticas o elastoplásticas y estado de esfuerzos
mediante análisis numérico, así es posible concluir que al aplicarse al presente caso de
estudio, bajo comportamiento elastoplástico del acero, se obtuvieron resultados
virtuales altamente similares a los reales.
• Los análisis numéricos de falla bajo comportamientos estructurales elastoplásticos,
propuestos y realizados, al elemento estructural en cuestión, es decir, la herramienta de
implemento así como los ubicados componentes críticos, los soportes de los cilindros
hidráulicos, brindan una precisa visualización del comportamiento mecánico ante la
diferentes condiciones de operación. En general, tanto los esfuerzos máximos como las
deformaciones que sufre la herramienta de implemento y sus propios soportes, de
acuerdo a los análisis presentados, se muestra que bajo condiciones de operación la
herramienta de implemento no colapsa, pero a su vez, bajo condiciones específicas
propuestas de presión aplicada a los elementos estos presentan deformaciones
permanentes considerables lo que propicia un funcionamiento no apto para el
desarrollo de satisfactorio de la herramienta de implemento y por consiguiente del
propio equipo de maquinaria pesada.
• Otra principal conclusión de este trabajo es que está basado en los resultados
numéricos obtenidos los cuales a partir de la visualización de una herramienta de
implemento después de un considerable periodo de trabajo, se obtuvo un
comportamiento mecánico real altamente similar al obtenido en esta investigación al
localizar espacialmente las regiones críticas.
• Surge la necesidad de implementar nuevos prototipos empleando materiales y diseño
geométricos alternativos que emulen o mejoren, es decir, optimizar el comportamiento
mecánico descrito por los casos de estudio presentados en esta investigación, para el
elemento estructural en estudio, la herramienta de implemento de equipo de
maquinaria pesada.
TRABAJOS FUTUROS
Trabajos futuros 145
Análisis numérico de falla para herramienta de implemento de equipo de maquinaria pesada
Trabajos futuros
Con relación al desarrollo de la herramienta de implemento, queda un amplio campo de
estudio por abordar, al poseer la herramienta de implemento diferentes elementos, así estos
elementos pueden requerir un análisis individual para analizar su comportamiento. De lo
anterior, se generan las principales recomendaciones para trabajos futuros.
• Realizar un estudio desde el punto de vista del análisis de la mecánica de la fractura,
para la herramienta de implemento, el cual sería de gran importancia, al poder predecir
las condiciones en las cuales la herramienta de implemento puede llegar a esta etapa de
falla.
• Planterar un estudio desde el punto de vista del análisis dinámico de la estructura de la
herramienta de implemento.
• Plantear un estudio desde el punto de vista de la fatiga de la herramienta de
implemento y poder así definir la vida por fatiga de la herramienta y su relación en el
tiempo de vida útil.
• Realizar un estudio profundo para determinar el impacto del tratamiento térmico y
como podría ser modelado la herramienta de implemento, considerando las
condiciones de tratamiento térmico mediante el Método del elemento finito.
• Realizar un planteamiento detallado del proceso de manufactura mediante un estudio
que involucre técnicas avanzadas de manufactura.
• Plantear un análisis para la utilización de materiales diferentes al empleado
convencionalmente, que posean menor peso y que cumplan con las propiedades de
resistencia, de tal forma de tener materiales alternos para ser implementados.
• Plantear nuevas propuestas de diseños y geometrías alternas que mejoren los resultados
obtenidos con los empleados convencionalmente.
• Realizar a partir de la presente investigación el análisis numérico de falla para la gran
diversidad de herramientas de implemento de los diferentes tipos de equipos de
maquinaria pesada.