Ao de la Integracin Nacional y el Reconocimiento de Nuestra Diversidad

FACULTAD DE INGENIERAEscuela Profesional de Ingeniera Civil y Ambiental

DISEO DE BRAZO HIDRULICO

Asignatura:Fsica II

Profesor:

Integrantes:

CHICLAYO 2012

DEDICATORIA

A nuestros padres y personas que pudieron hacer posible este trabajo

AGRADECIMIENTO

A todos los integrantes y amigos que nos apoyaron en todo momento e hicieron posible la realizacin de este trabajo

ContenidoDEDICATORIA2AGRADECIMIENTO3RESUMEN5ABSTRACT5INTRODUCCIN6OBJETIVOS7JUTIFICACIN8FUNDAMENTO TERICO9Captulo 1.Origen del brazo hidrulico9Captulo 2.Fluidos10Concepto de Fluido10Hidrosttica10Principio de Pascal10Presin Hidrosttica11Densidad de Fluidos11Captulo 3.Pistones12Concepto de Pistn12Transmisin de Potencia12Aplicacin de potencia en jeringas12Captulo 4.Palancas13Concepto de Palancas13Principio de Galileo Galilei13Tipos de Palancas14Captulo 5.Aplicacin de Palancas al Brazo Hidrulico16Movimientos Del Brazo Hidrulico16PARTE EXPERIMENTAL18PROCEDIMIENTO18CONCLUSIONES18ANEXOS18BIBLIOGRAFA18

RESUMEN

El presente trabajo contiene el anlisis de la estructura y de los movimientos que realizan las mquinas excavadoras, centrndose en el diseo de un Brazo Excavador de tamao compacto as como la seleccin del Sistema Hidrulico y sus componentes. Pero la variacin que se presenta es que el Brazo Excavador diseado puede ubicarse y fijarse sobre cualquier estructura que pueda soportarlo ya que est habilitado para ello, adems que puede desplazarse con mucha facilidad por su bajo peso. El mtodo utilizado para el presente diseo es analizar la estructura de forma esttica y de esta manera dimensionar y seleccionar los materiales ptimos tomando siempre en consideracin no sobredimensionarla manteniendo factores de seguridad suficientes. Se tratar por tal motivo de temas referentes a la fsica sobre este mbito, tal como el los orgenes del brazo hidrulico, definiciones complementadas de lo que es un fluido, una palanca y sus respectivas aplicaciones, leyes sobre la presin: principio de Pascal, principio de Galilelo Galilei, etc. Este tipo de maquinaria que est sometida a un trabajo exigente y a golpes y para analizar cmo actan los fluidos sobre cada una de ellas y la gran ayuda encontrada en este tema para ahora poder lograr levantar grande masas con poca desgaste de energa y si comprobar los leyes fsicas actuando en este brazo hidrulico .Asiendo no solo un anlisis experimental en un ensayo de brazo sino analizando cada una de las reacciones fsicas que se encargan de que el brazo hidrulico se ponga y movimiento y cada una de las funciones que realiza y poder demostrar las aplicaciones de la fsica en la realidad.ABSTRACT

This paper contains the analysis of the structure and movements made bulldozers, focusing on the design of a compact excavator arm and the selection of the hydraulic system and its components. But the change that occurs is that the excavator arm can be located and designed fixed on any structure that can stand as it is qualified to do so, and you can move very easily because of its low weight.The method used for this design is to analyze the static structure and thus size and select the optimal materials always taking into consideration not oversize maintaining adequate safety factors.It will be for that reason of topics concerning physics this field, such as the origins of the hydraulic arm, complemented definitions of what is a fluid, a lever and its respective applications, laws pressure: Pascal principle, Galilelo principle Galilei, etc.This type of equipment that is subjected to a demanding job and bumps and to analyze how fluids act on each of them and found great help in this area to now be able to achieve big lift masses with little expenditure of energy and if check the laws this physical acting hydraulic arm. Grabbing experimental analysis not only in one trial arm but by analyzing each of the physical reactions that are responsible for the hydraulic arm and movement and put each of the functions performed and demonstrate the physics applications in reality.

INTRODUCCIN

Desde los inicios del hombre una de las ciencias que ms auge ha tenido es la mecnica. La mecnica es una ciencia que se especializa en dos tipos de rama, muy generalmente hablando, las cuales son la esttica y dinmica. La esttica trata sobre los cuerpos en reposo aparente y en equilibrio, mientras que la dinmica, trata sobre los cuerpos y las partculas en movimiento.La mecnica como ciencia ocupa muchas ramas en la ingeniera, y es fundamental para la misma; esta ciencia tambin puede desglosarse como una rama que se llama mecnica de fluidos que como su nombre lo indica trata sobre las sustancias.El Principio de Pascal se fundamentan numerosas aplicaciones tecnologas de uso conveniente: gatos hidrulico, gras, excavadoras, volquetas, sistemas de frenos de automviles, estas reciben el nombre de maquinas hidrulicas.Este principio tambin es valido para gases aunque este caso la presin no se transmite con tanta rapidez, ya que los gases son ms comprensibles que los lquidos.Este siguiente proyecto se basa en la Construccin de una Excavadora Hidrulica; si bien es habitual ver una maquina retroexcavadora desarrollando trabajos en distintas faenas, es natural preguntarse por ejemplo, del costo de la maquina, de sus caractersticas principales, su rendimiento etc. Verificaremos entonces que principios fsicos son aplicados durante el trabajo de una maquinaria, pretendindolo realizar de manera didctica mediante el uso de esta Maqueta.

OBJETIVOS

Objetivo General: Construccin y operacin de un brazo mediante un sistema hidrulico.Objetivos Especficos: Demostrar la importancia de ciertos principios o leyes bsicas de la fsica en el campo de la Construccin. Introducirnos en principales fundamentos de la ingeniera como: disear, implementar y operar. Mejorar ciertos aspectos en cuanto ahorro de tiempo y seguridad de en trabajos que impliquen riesgos. Innovar en la tecnologa de la maquinaria a travs de una sencilla maquina funcional con la cual podremos levantar cuerpos pesados con solo presin y fluidos. Economizar trabajo humano, evitndole realizar esfuerzos innecesarios.

JUTIFICACIN

El proyecto Diseo de una Excavadora hidrulica, pretende introducir al estudiante en aspectos fundamentas de la ingeniera: disear, implementar y operar.Plantear una tarea especfica como requerimiento de diseo, permite enfocar y acotar la amplia gama de soluciones posibles a un problema de ingeniera.Es necesario que el joven universitario est apto a las necesidades que surgen en el campo de su competencia, tomando decisiones acertadas y formulando soluciones a distintos problemas que se le presenten, mediante la elaboracin de proyectos que le permita desarrollar ciertas capacidades.Por otro lado la competencia permite, adems de estimular la creatividad y el trabajo en equipo, mostrar el potencial de mejora en la operacin resultante del dominio del prototipo y entrenamiento en este.Se ve necesario reforzar estas aptitudes, para poder adaptarnos al nuevo sistema competente de la Ingeniera Civil, permitindonos el desarrollo y visualizacin de horizontes ms amplio e innovadores.

FUNDAMENTO TERICO

Origen del brazo hidrulico

Apareci basndose en el descubrimiento de la prensa hidrulica de Pascal la cual permite levantar grandes masas con pequeas fuerzas que se aplica en el brazo hidrulico. En la antigedad por la necesidad de construir grandes edificaciones crearon una herramienta para levantar y transportar grandes masas que utilizaban para la construccin; esta herramienta era un brazo de madera que giraba sobre un eje para poder levantar y llevar el material de un lugar a otro.Figura N 1: Brazo encima de la superficie del Arca.

El brazo constaba de un sistema de poleas que por la fuerza de los trabajadores que jalaban las cuerdas le permita levantar al material y luego bajarlo cuando se disminua la fuerza. Con el transcurso de los aos este brazo fue adquiriendo mejoras tanto en materiales como en su funcionamiento. Cuando Pascal descubre la prensa hidrulica estos brazos cambiaron radicalmente ya que se comenzaron a utilizar un sistema parecido a la prensa hidrulica, las cuales permitan levantar grandes pesos con menos esfuerzo.

En nuestra poca estos brazos hidrulicos son utilizados para diferentes objetivos como son: para las construcciones, para el transporte de carga, para la simulacin del funcionamiento de las partes del cuerpo humano como dedos, antebrazos, brazos, piernas, etc

Figura N 3: Brazo utilizado para el transporte de cargasFigura N 2: Medidas verticales y horizontales del brazo de una Excavadora Hidrulica

FluidosConcepto de Fluidos

Es la parte de la fsica que estudia la accin de los fluidos en reposo o en movimiento, tanto como sus aplicaciones y mecanismos que se aplican en los fluidos. Es la parte de la mecnica que estudia el comportamiento de los fluidos en equilibrio (Hidrosttica) y en movimiento (Hidrodinmica). Esta es una ciencia bsica de la Ingeniera la cual tom sus principios de las Leyes de Newton y estudia la esttica, la cinemtica y la dinmica de los fluidos.

Se clasifica en:- Esttica: De los lquidos llamada Hidrosttica. De los gases llamada Aerosttica.- Cinemtica: De los lquidos llamada Hidrodinmica. De los gases llamada Aerodinmica.Hidrosttica

La hidrosttica es la rama de la mecnica de fluidos o de la hidrulica, que estudia los fluidos en estado de equilibrio, es decir, sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posicin. Los principales teoremas que respaldan el estudio de la hidrosttica son el principio de Pascal y el principio de Arqumedes.

Figura N 4: Principio de Pascal

Principio de Pascal

En fsica, el principio de Pascal o ley de Pascal, es una ley enunciada por el fsico y matemtico francs Blaise Pascal (1623-1662) que se resume en la frase: el incremento de presin aplicado a una superficie de un fluido incompresible (lquido), contenido en un recipiente indeformable, se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo. Es decir que si en el interior de un lquido se origina una presin, estas se transmiten con igual intensidad en todas direcciones y sentidos. En el sistema internacional, la unidad de presin es 1 Pascal (Pa), que se define como la fuerza ejercida por 1 newton sobre la superficie de 1 metro cuadrado.

Presin Hidrosttica

Un fluido pesa y ejerce presin sobre las paredes, sobre el fondo del recipiente que lo contiene y sobre la superficie de cualquier objeto sumergido en l. Esta presin, llamada presin hidrosttica, provoca, en fluidos en reposo, una fuerza perpendicular a las paredes del recipiente o a la superficie del objeto sumergido sin importar la orientacin que adopten las caras. Si el lquido fluyera, las fuerzas resultantes de las presiones ya no seran necesariamente perpendiculares a las superficies. Esta presin depende de la densidad del lquido en cuestin.Densidad de Fluidos

La densidad de una sustancia se define como el cociente de su masa entre el volumen que ocupa. La unidad de medida en el S.I. de Unidades es kg/m3, tambin se utiliza la unidad g/cm3.SUSTANCIADENSIDAD EN Kg/m3

Aceite920

Acero7850

Agua1000

Aire1,3

Alcohol780

Aluminio2700

Caucho950

Cobre8960

Gasolina680

Helio0,18

Madera900

Mercurio13580

Tabla N 1: Densidades de algunas sustancias

PistonesConcepto de Pistn

Se denomina pistn Se trata de un mbolo que se ajusta al interior de las paredes del cilindro mediante aros flexibles llamados segmentos. Efecta un movimiento alternativo, obligando al fluido que ocupa el cilindro a modificar su presin y volumen o transformando en movimiento el cambio de presin y volumen del fluido. En todas las aplicaciones en que se emplea, el pistn recibe o transmite fuerzas en forma de presin de un lquido o de un gas.Transmisin de Potencia

Una fuerza mecnica, trabajo o potencia es aplicada en el pistn A. La presin interna desarrollada en el fluido por su la densidad ejerciendo una fuerza de empuje en el pistn B. Segn la ley de Pascal la presin desarrollada en el fluido es igual en todos los puntos por la que la fuerza desarrollada en el pistn B es igual a la fuerza ejercida en el fluido por el pistn A, asumiendo que los dimetros de A y B son iguales y sin importar el ancho o largo de la distancia entre los pistones, es decir por donde transitar el fluido desde el pistn A hasta llegar al pistn B.

Figura N 5: Transmisin de Potencias

Aplicacin de potencia en jeringas

El largo cilindro de la figura puede ser dividido en dos cilindros individuales del mismo dimetro y colocados a distancia uno de otro conectados entre si por una caera. El mismo principio de transmisin de la fuerza puede ser aplicado, y la fuerza desarrollada en el pistn B va ser igual a la fuerza ejercida por el pistn A. En el siguiente grfico podemos observar la versatilidad de los sistemas hidrulicos y/o neumticos al poder ubicarse los componentes aislantes no de otro, y transmitir las fuerzas en forma inmediata a travs de distancias considerables con escasas perdidas. Las transmisiones pueden llevarse a cualquier posicin. Aun doblando esquinas, pueden transmitirse a travs de tuberas relativamente pequeas con pequeas perdidas de potencia.

Figura N 6: Funcionamiento de las Jeringas

PalancasConcepto de Palancas

La palanca es una mquina simple que se emplea en una gran variedad de aplicaciones. Probablemente, incluso, las palancas sean uno de los primeros mecanismos ingeniados para multiplicar fuerzas. Es cosa de imaginarse el colocar una gran roca como puerta a una caverna o al revs, sacar grandes rocas para habilitar una caverna. Con una buena palanca es posible mover los ms grandes pesos y tambin aquellos que por ser tan pequeos tambin representan dificultad para tratarlos.

Bsicamente est constituida por una barra rgida, un punto de apoyo o Fulcro y dos o ms fuerzas presentes: una fuerza a la que hay que vencer, normalmente es un peso a sostener o a levantar o a mover, y la fuerza que se aplica para realizar la accin que se menciona. La distancia que hay entre el punto de apoyo y el lugar donde est aplicada cada fuerza, en la barra rgida, se denomina brazo. As, a cada fuerza le corresponde un cierto brazo. Como en casi todos los casos de mquinas simples, con la palanca se trata de vencer una resistencia, situada en un extremo de la barra, aplicando una fuerza de valor ms pequeo que se denomina potencia, en el otro extremo de la barra.

En una palanca podemos distinguir entonces los siguientes elementos:-El punto de apoyo o fulcro.-Potencia: la fuerza (en la figura de abajo: esfuerzo) que se ha de aplicar.-Resistencia: el peso (en la figura de abajo: carga) que se ha de mover.

Figura N 7: Aplicacin de Fuerzas

Principio de Galileo Galilei

Se cuenta que el propio Galileo Galilei habra dicho: "Dadme un punto de apoyo y mover el mundo". En realidad, obtenido ese punto de apoyo y usando una palanca suficientemente larga, eso es posible. En nuestro diario vivir son muchas las veces que estamos haciendo palanca. Desde mover un dedo o un brazo o un pie hasta tomar la cuchara para beber la sopa involucra el hacer palanca de una u otra forma. Ni hablar de cosas ms evidentes como jugar al balancn, hacer funcionar una balanza, usar un cortaas, una tijera, un sacaclavos, etc. Casi siempre que se pregunta respecto a la utilidad de una palanca, la respuesta va por el lado de que sirve para multiplicar una fuerza, y eso es cierto pero prevalece el sentido que multiplicar es aumentar, y no es as siempre, a veces el multiplicar es disminuir al multiplicar por un nmero decimal por cualquier cantidad.

Figura N 8: Ejemplo de una Palanca

Tipos de Palancas

La ubicacin del fulcro respecto a la carga y a la potencia o esfuerzo, definen el tipo de palanca:

-Palanca de primer tipo o primera clase: Se caracteriza por tener el fulcro entre la fuerza a vencer y la fuerza a aplicar. Esta palanca amplifica la fuerza que se aplica; es decir, consigue fuerzas ms grandes a partir de otras ms pequeas. Algunos ejemplos de este tipo de palanca son: el alicates, la balanza, la tijera, las tenazas y el balancn. Algo que desde ya debe destacarse es que al accionar una palanca se producir un movimiento rotatorio respecto al fulcro, que en ese caso sera el eje de rotacin.Figura N 9: Palanca de Primer Tipo

-Palanca de segundo tipo o segunda clase: Se caracteriza porque la fuerza a vencer se encuentra entre el fulcro y la fuerza a aplicar. Este tipo de palanca tambin es bastante comn, se tiene en lo siguientes casos: carretilla, destapador de botellas, rompenueces. Tambin se observa, como en el caso anterior, que el uso de esta palanca involucra un movimiento rotatorio respecto al fulcro que nuevamente pasa a llamarse eje de rotacin.Figura N 10: Palanca de Segundo Tipo

-Palanca de tercer tipo o tercera clase: Se caracteriza por ejercerse la fuerza a aplicar entre el fulcro y la fuerza a vencer. Este tipo de palanca parece difcil de encontrar como ejemplo concreto, sin embargo el brazo humano es un buen ejemplo de este caso, y cualquier articulacin es de este tipo, tambin otro ejemplo lo tenemos al levantar una cuchara con sopa o el tenedor con los tallarines, una corchetera funciona tambin aplicando una palanca de este tipo. Este tipo de palanca es ideal para situaciones de precisin, donde la fuerza aplicada suele ser mayor que la fuerza a vencer. Y, nuevamente, su uso involucra un movimiento rotatorio.Figura N 11: Palanca de Tercer Tipo

-Palancas mltiples: Varias palancas combinadas. Por ejemplo: el cortaas es una combinacin de dos palancas, el mango es una combinacin de 2 gnero que presiona las hojas de corte hasta unirlas. Las hojas de corte no son otra cosa que las bocas o extremos de una pinza y, constituyen, por tanto, una palanca de tercer gnero. Otro tipo de palancas mltiples se tiene en el caso de una mquina retroexcavadora, que tiene movimientos giratorios (un tipo de palanca), de ascenso y descenso (otra palanca) y de avanzar o retroceder (otra palanca)

Figura N 12: Palancas Mltiples

Aplicacin de Palancas al Brazo Hidrulico

En la figura se puede apreciar que las palancas que vamos a utilizar en nuestro proyecto sern de tercer tipo o de tercer grado ya que en este tipo de palancas la fuerza aplicada debe ser mayor a la fuerza a levantar y en nuestro trabajo es de vital importancia poder levantar objetos. Adems se utilizarn palancas mltiples ya que es brazo que construiremos constar de dos hasta cuatro palancas para poder lograr el cometido. Las palancas que utilizaremos sern hechas de un material resistente preferiblemente de madera y sostenidas en sus ejes por piezas metlicas, que permitirn obtener un movimiento circular en cada una de las palancas y un movimiento rotatorio en su eje para poder girar el brazo en distintas direcciones.Figura N 13: Excavadora Hidrulica y sealamiento de Palancas

Movimientos Del Brazo Hidrulico

El movimiento vertical consiste en desplazar arriba o abajo nuestro centro de masas mediante una extensin o una flexin de las articulaciones.El movimiento rotatorio es el que se basa en un eje de giro y radio constante: la trayectoria ser una circunferencia. Si, adems, la velocidad de giro es constante, se produce el movimiento circular uniforme, que es un caso particular de movimiento circular, con radio fijo y velocidad angular constante.

En el movimiento circular hay que tener en cuenta alguno conceptos especficos para este tipo de movimiento:Eje de giro: es la lnea alrededor de la cual se realiza la rotacin, este eje puede permanecer fijo o variar con el tiempo, pero para cada instante de tiempo, es el eje de la rotacin.Arco: partiendo de un eje de giro, es el ngulo o arco de radio unitario con el que se mide el desplazamiento angular. Su unidad es el radin.

Velocidad angular: es la variacin de desplazamiento angular por unidad de tiempo.Aceleracin angular: es la variacin de la velocidad angular por unidad de tiempo.

En dinmica del movimiento giratorio se tienen en cuenta adems:

Momento de inercia: es una cualidad de los cuerpos que resulta de multiplicar una porcin de masa por la distancia que la separa al eje de giro. Momento de fuerza: o par motor es la fuerza aplicada por la distancia al eje de giro.

PARTE EXPERIMENTAL

Materiales- Jeringas de 20 ml.- Mangueras de Suero- Agua.- Listones de madera.- Tornillos que permitan movimiento.MaterialesCortaremos la madera en forma rectangular para que sea la base de todo el proyecto, posteriormente se proceder a dibujar en la madera restante las piezas que sern el cuerpo del brazo hidrulico, una vez dibujado las partes procederemos a ensamblar las piezas para darle forma al brazo, una vez ensamblada las piezas comprobaremos que tenga movilidad y comprobaremos que todo este acorde al plano, tomaremos las jeringas ,las mangueras y las uniremos, una vez unidas pondremos el liquido de freno o agua y probaremos que tengan el suficiente liquido para que pueda funcionar, luego las adaptaremos al brazo y probaremos que las mismas hagan funcionar al brazo. Pondremos jeringas en la base y probaremos que estas muevan el brazo de lado a lado, colocaremos el brazo ya antes armado en la base y lo haremos funcionar para poder ver errores en el mismo y poderlo corregir, una vez hecho todo esto comprobaremos que este brazo sea capaz de levantar algn objeto y de transportarlo de un lugar a otro.

Figura N 14: Realizacin del proyecto por parte de los integrantes

CONCLUSIONES

El diseo del Brazo Excavador cumple con las condiciones necesarias para realizar satisfactoriamente con el trabajo de recoger, levantar y trasladar la carga segn sea necesario con las restricciones de carga y giro mencionadas en este trabajo.El diseo contempla factores de seguridad necesarios para este tipo de maquinaria sometida a trabajo duro aunque de pequea envergadura lo que permitir desarrollar un trabajo confiable.Las articulaciones que estaran sometidas a mayores esfuerzos incluso a esfuerzo por carga dinmica, contemplan factores de seguridad necesarios para superar los excesos de carga mencionados. El diseo garantiza que el Brazo Excavador pueda moverse a todas las posiciones indicadas para realizar su funcin de manera sencilla y segura. Por su diseo y tamao el Brazo Excavador ser de fcil desplazamiento hacia el lugar de trabajo por su bajo peso y tamao. Adems puede ser colocada de manera sencilla sobre una estructura que cumpla con las condiciones necesarias para soportar el trabajo a realizar.

ANEXOS

BIBLIOGRAFA

Barriga Gamarra, Benjamn. Mtodos de Diseo en Ingeniera Mecnica. Tesis para ttulo de Ingeniero Mecnico. Universidad Catlica del Per, 1985.Barriga, Benjamn. Elementos de Mquinas. Uniones Atornilladas (Tablas). Per: Universidad Catlica del Per.Barriga, Benjamn. Manual de Hidrulica. Per: Universidad Catlica del Per.Rodrguez, H. Diseo de uniones Soldadas. Per: Universidad Catlica del Per.Rodrguez ,H. Resistencia de Materiales 2-A. Universidad catlica del Per.POPOV EGOR, Introduccin a la Mecnica de Slidos. Traduccin: PaniaguaFrancisco Mxico: LIMUSA. [BOBCAT].[REVISTA CASE] [en lnea] 8 de febrero del 2006. Disponible en: .[Excavadoras] .[Excavadora Hidrulica CATERPILLAR] .[WIKIPEDIA-The Free Encyclopedia] .[VOLVO]< http://www.volvo.com>.[HYUNDAI]