A. SELECCIÓN DEL TEMA:

DISEÑO DE UNA MAQUINA RETROEXCAVADORA

B. OBJETIVOS:

1. ANÁLISIS, ESTUDIO Y SELECIÓN DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA HIDRAÚLICO DE UNA RETROEXCAVADORA.

2. PROMOCIONAR NUESTRO DISEÑO EN LA INDUSTRIA DE LA MAQUINARIA PESADA EN EL PAÍS.

C. DISEÑO DE SISTEMAS

INTRODUCCIÓN:

Si bien es habitual ver una máquina retroexcavadora desarrollando trabajos en distintas faenas, es natural preguntarse por ejemplo, del costo de la maquina, de sus características principales, su rendimiento etc. Por eso, ya que tenemos la oportunidad de hacer un seguimiento minucioso a una maquina utilizada en la construcción nos enfocamos directamente en la retroexcavadora.

La forma de abordar este informe fue recopilar toda la información, disponible en primer lugar, de Internet, en donde encontramos los folletos técnicos de las distintas marcas, luego visitamos los centros de distribución de maquinaria pesada donde nos dieron de manera breve las características técnicas, rendimientos y otros datos para desarrollar nuestro informe.

También se tomaron medidas reales de una retroexcavadora para poder así modelar en programas especializados y obtener las fuerzas críticas a las que se encuentran sometidos y poder conseguir datos reales como resultados.

Finalmente se desarrolló un análisis con respecto al sistema hidráulico de la máquina tomando en cuenta características técnicas recopiladas de la investigación previa, y los cálculos pertinentes para así obtener un diseño propio y acorde a nuestro planteamiento.

DESARROLLO

La retroexcavadora es una de las maquinas más versátiles en las áreas de construcción y de obras viales, en lo se refiere a movimientos de tierra y traslado de materiales. Diseñada para cumplir con las más altas exigencias en cuanto a seguridad y por sobre todo de la vida útil de la maquina.

Se caracteriza por un robusto diseño de sección de pluma y balancín, que es además estrecho, de forma que la visibilidad es excelente a todo lo largo de la pluma hasta la cuchara sea cual sea la profundidad a la que se excave.

El chasis de la retroexcavadora es fabricado de manera muy resistente, de esta manera se consiguen mejor índice de productividad resistencia y durabilidad gracias a su diseño como cargadora y excavadora versátil. En cuanto a la capacidad de excavación es excepcional gracias a la geometría y al potente sistema hidráulico de flujo compensado y sensible a la carga, que proporcionan además una mayor capacidad de elevación y ciclos de carga más rápidos.

Control de la Máquina

El sistema de comandos que existe en la retroexcavadora se ha desarrollado para que las posiciones de trabajo que posee el operador sean más personalizadas con ajustes longitudinal y lateral lo cual asegura la precisión de los movimientos minimizando así el esfuerzo físico del operador. Disminuyendo así los riesgos que sufra accidentes dentro de la cabina, lo es rentable tanto para la empresa como para el operador.

Pintura de la Maquina

La pintura de la retroexcavadora es en base a polvo epoxi, esta es una resina formada por dos componentes y un catalizador, la cual es muy resistente a la intemperie y además actúa como anticorrosivo. Las cargas electromagnéticas que posee este polvo hacen que las maquinas sean vistas hasta en las zonas más inaccesibles, el proceso de cocción de la pintura asegura un acabado liso resistente y duradero.

La Cabina

La cabina de las retroexcavadoras cuenta con visibilidad panorámica, todos los mandos se encuentran situados de manera ergonómica y el nivel de ruido interior es muy bajo en la cabina. Estas funciones, sin duda no las traen todas las retroexcavadoras, pero si las de última generación, a las cuales apunta este informe.

SISTEMA HIDRÁULICO PARA RETROEXCAVADORAS

1- Cilindro del brazo del cucharón

2- Cilindro del aguijón

3- Palanca de mando de la retroexcavadora

4- Válvula de mando de la retroexcavadora

5- Cilindro de giro del aguijón

6- Cilindro de estabilizado izquierdo

7- Cilindro del cucharón

El operador manda la retroexcavadora por medio de palancas actuando sobre válvulas que mandan el aceite a presión al correspondiente cilindro para mover el aguijón, el cucharón, el brazo excavador, los cilindros hidráulicos son de doble de acción para poder trabajar a plena fuerza en ambos sentidos, el aguijón se puede girar a un lado y otro por medio de un cilindro especial objeto de vaciar el cucharón fuera de la zanja.

C.1 CÁLCULOS (FUERZA, PRESION, CAUDAL, POTENCIA Y ALTURA ÚTIL)

CALCULOS HIDRAULICA:

CONDICIONES EXTREMAS

AREA DE PISTON

A=π∗r2

APLUMA=π∗(60mm)2=113.097c m2

ABRAZO=π∗(67.5mm)2=143.13cm2

ACUCHARA=π∗(57.5mm)2=103.868c m2

PRESIÓN

Para los datos de la fuerza, se consideraron los valores obtenidos en la simulación de Working Model mostrados en la sección de Modelado, para las posiciones críticas:

P= FA

PPLUMA=FPLUMA

APLUMA

= 3.778 E5N113.097cm2=

38551kg113.097cm2=340.866 ¿̄

(Se debe considerar esta presión como el doble de la ejercida por la pluma pues son 2 pistones los que están acoplados a esta sección.)

Por lo tanto:

PPLUMA=340.8662

¿̄170.4333 ¿̄

PBRAZO=FBRAZO

ABRAZO

= 1.371E5 N143.13cm2=

13989.7959 kg143.13cm2 =97.74 ¿̄

PCUCHARA=FCUCHARA

ACUCHARA

= 4.67 E4 N103.868c m2=

4765.31kg103.868c m2

=45.87 ¿̄

Los valores de las fuerzas fueron comparadas con la fuerza de remoción del suelo al que se enfocó este proyecto, siendo el peso específico del mismo ρ = 1000 kg/m3, investigado a los docentes dentro de la universidad. Los datos obtenidos de la fuerza ejercida es la suficiente para la extracción del material.

CAUDAL DE LA BOMBA

Q=V∗A

Imponiéndonos una velocidad máx. de 20cmseg

, según estimaciones de trabajo consideradas

prudentes por nosotros:

QPLUMA=20cmseg

∗APLUMA=20cmseg

∗113.097c m2=135.7164 ¿min

QBRAZO=20cmseg

∗ABRAZO=20cmseg

∗143.13cm2=171.756 ¿min

QCUCHARA=20cmseg

∗ACUCHARA=20cmseg

∗103.868c m2=124.64 ¿min

Escogemos el mayor caudal el cual nos va a abastecer a las demás sin problema:

QBOMBA=171.756¿

min

Selección del fluido para transmisión:

Los fluidos hidráulicos están basados en la mayoría de los casos en aceite mineral o en fluidos de síntesis con los convenientes aditivos. Se seleccionó al aceite mineral como fluido transmisor para esta aplicación ya que es uno de los más utilizados en aplicaciones hidráulicas. Los aceites minerales poseen una buena relación viscosidad/temperatura (índice de viscosidad), baja presión de vapor, poder refrigerante, una compresibilidad baja, da satisfactorias o excelentes cualidades de protección, y no requieren cuidado respecto a las juntas y pinturas normalmente utilizadas.

Si a esto se añade que su relación calidad/precio/rendimiento es muy buena, es fácilmente comprensible el éxito de su utilización.

Selección del fluido según sus características:

Selección de la viscosidad:

Según la siguiente tabla, y una vez escogido la bomba que se utilizará para el sistema, se procede a seleccionar la viscosidad del aceite para la aplicación de la retroexcavadora:

Tipo de Bomba Grado ISO de viscosidad32 46 68

Paletas 60°C 70°C 78°CPistones Radiales 38°C 50°C 60°CPistones Axiales 60°C 70°C 78°CEngranajes 60°C 70°C 80°C

Dado que nuestra bomba seleccionada es de Pistones Axiales y por seguridad se escogió el aceite de grado ISO 46 de viscosidad, y que soporta temperaturas de hasta 70°C.

Tabla de las propiedades para el aceite mineral ISO 46 seleccionado

POTENCIA

POTENCIA=QBOMBA∗PMAX

POTENCIA=(171.756 ¿min )¿

POTENCIA=64.1175HP

PRESIÓN=170.4333 ¿̄2471.926 psi

171.756 ¿min

Según la siguiente tabla, se tomó como referencia a los datos necesarios para el torque y la velocidad angular del motor:

POTENCIA DE ACCIONAMIENTO

Pa=2π60

n∗M

donde n:RPM

M :N .m

Es la potencia en el eje de la bomba, o potencia mecánica que la bomba absorbe.

Pa=2π60

(1800 RPM )∗(402N .m )=75.7 kW

POTENCIA=64.1175HP

PRESIÓN=170.4333 ¿̄2471.926 psi

171.756 ¿min

POTENCIA UTIL

Es la potenciade accionamientodescontando todas las pérdidas de labomba ¿

P .volumétricas y P .mecánicas¿

P=Pa−∑ Pm+Pv+Ph

Tomando las perdidas comoel5% de la Pa , seobtiene :

P=64.34kW

P=85HP

ALTURA UTIL

H= PQ∗ρ∗g

= 64.34 kW

172 ¿min (0.878 gr

cm3 )(9.8ms2 )=2.63244m

La cual de acuerdo a nuestro diseño satisface nuestras necesidades.

D. SELECCIÓN DE COMPONENTES

D.1. CILINDROS

Características:

Presión nominal de 3,000psi. ANSI / NFPA T3.6722.1996 Diámetros estándar de 4" - 6 " Vástago de 40" - 60".

D.2 BOMBA:

Existen varios tipos de bombas hidráulicas en el mercado las cuales varían de acuerdo a la funcionalidad de cada una, entre las principales se tiene:

Bombas de pistones axiales

Bombas de pistones axiales de plato inclinado y el diseño del doblar-eje se han diseñado para rangos de mediana y alta presión. Las variaciones en el diseño, la gama de opciones de control de la producción garantizan soluciones óptimas para aplicaciones estacionarias.

Bombas de engranajes externos

Las bombas de engranajes son clásicas en el campo de la hidráulica. Solo las bombas múltiples y bajo nivel de ruido "silencio" de las bombas en serie de siete ofrecen una multitud de posibilidades de aplicación

Bombas de engranajes internos

Las bombas de engranajes internos son adecuados para operar a una presión continua de hasta 315 bar (dependiendo del tamaño de fotograma). Diseño compacto con alta densidad de energía en particular y los requisitos mínimos de espacio.

Bombas de pistones radiales

Las bombas de pistones radiales se utilizan para la gama de alta presión (presiones de servicio de hasta 700 bares). Son controlados por válvulas, bombas autocebantes con un desplazamiento fijo.

Bomba de combinaciones

Numerosas combinaciones opcionales de nuestra gama de productos de la bomba.

BOMBA SELECCIONADA:

En nuestro diseño es necesario el uso de 2 bombas ya que la presión sobre las áreas de los pistones son altas, por lo tanto hemos seleccionado las que más se adaptan a nuestra necesidad las cuales son las bombas de pistones axiales ya que su descripción nos indica que son las más indicadas y confiables para rangos de alta y mediana presión como es nuestro caso.

Tamaños NG40 a 1000

Diseño de pistones axiales de plato inclinado

Circuito Cerrado.

Series 1 y 3

Bloque de válvulas para la protección del circuito

Además de las bombas hasta el mismo tamaño se puede montar a través de la unidad de disc

Especificaciones:

Tamaño 40 71 125 180 250

Presión nominal p N bar 350 320 300 280 250

Desplazamiento V g max Cm ³ 40 71 125 180 250Velocidad n max rpm 3700 3200 2600 2400 2200Flujo en n max q V max l / min 148 227 325 432 550Poder Δ p = 350 bar P max kW 86 132 190 252 321Esfuerzo de torsión Δ p = 350 bar T max Nm 223 395 696 1002 1391Peso ( aprox. ) m kg 47 60 100 114 214

Escogiendo la bomba de tamaño 125, la cual nos indica que sus características son las más adecuadas y acordes a los datos obtenidos en los cálculos realizados en la sección C.

D.3 ACCESORIOS

A. MANGUERAS DE CONEXIÓN

Según las tablas consultadas a fabricantes especializados en mangueras hidráulicas, se escogió el modelo DN 31, el cual nos ofrece seguridad y confiabilidad pues resiste más presión a la calculada ofreciendo un factor de seguridad razonable, y sus características se ajustan bastante a los requerimientos planteados para nuestro diseño, pues es especializada para líneas de altas presiones.

B. VÁLVULAS 4/3 CONTROLADAS POR SOLENOIDES

Válvulas anti retorno estranguladoras:

C. PULSADORES Y SWITCHES:

La selección de estos elementos es más general, depende del modelo que se busque y la corriente y voltaje que soportan, para nuestro caso utilizaremos una fuente de 24V DC y esos modelos fácilmente cumplen las condiciones requeridas.

D. CONTACTORES:

Datos técnicos:

E. SELECCIÓN DE CUCHARON

Escogimos el cucharón de 1.5 m3 que satisface las condiciones planteadas para el diseño.

E. MODELADO

En AUTOCAD se dibujó los componentes de nuestra retroexcavadora

Mediante el uso del programa WorkingModel obtuvimos los siguientes resultados, para las posiciones más críticas.

F. CIRCUITO HIDRÁULICO:

G. CIRCUITO ELÉCTRICO:

H. COSTOS

(ver Anexo)

I. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

La presión está en relación directa con el área de los pistones, es por eso que el dimensionamiento de los mismos es bastante importante para que la variable Presión no sea muy alta dentro del sistema hidráulico del diseño, pero se debe mantener dentro de los rangos estándar comerciales para las medidas y dimensiones de los pistones puedan ser adquiridos con facilidad.

Para los cálculos pertinentes a la potencia utilizada por la bomba, se debe tomar en cuenta a las pérdidas que existen en el sistema, como el caso de sistemas hidráulicos son pérdidas mecánicas, volumétricas e hidráulicos, que finalmente nos reducen su rendimiento, pero debe ser lo suficientemente capaz de soportar la potencia teórica calculada mediante el área y la fuerzas determinados.

El valor final de la potencia nos dio un valor relativamente bajo en relación a varios fabricantes consultados, lo que nos llevó a modelar nuestro sistema incorporado por una sola bomba de pistones axiales como suficiente para abastecer todo el sistema, gracias a sus características de diseño ya que es una bomba especializada en presiones medianas y altas y de gran confiabilidad.

El circuito eléctrico e hidráulico implementado para el diseño y control de los pistones fue bastante sencillo pues lo que se hace básicamente es el control y regulación variable de pistones a gusto del operario, sin una secuencia establecida.

Se recomienda utilizar programas de simulación y modelamiento gráfico, pues estos nos brindan un gran apoyo en cuanto al sustento de valores reales para poder ser aplicados en los cálculos, así como también una idea más real sobre el elemento sobre el cual se está trabajando.

J. BIBLIOGRAFÍA

http://www.boschrexroth.com/industrial-hydraulics-catalog/Vornavigation/Vornavi.cfm?Language=EN&VHist=g54569,g54572,g54573,g144067&PageID=p77777

ANEXOS:

COSTOS

CANTIDAD PRODUCTO EMPRESA LOGO EMPRESA ESPECIFICACION PRECIO. UNIT

PRCIO TOTAL

4 CILINDRO DOBLE EFECTO

REXROTH Especializados ensamble pistones maquinaria pesada

13000 52000

4 VÁLVULAS HIDRAULICAS

HIDRA-MAQ

1 BOMBA TDZ (hydraulics)

Diseño especializado de bombas hidráulicas

6 MANGUERAS DE CONEXIÓN

Parker Variedad de selección de mangueras hidráulicas(diferentes presiones )

300 1800

6-3 PULSADORES Y SWITCH ABB 23 138

9 RELÉS/CONTACTORES ABB 25 225