ANÁLISIS NUMÉRICO DE FALLA PARA HERRAMIENTA DE …

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


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


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


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


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


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.5.4.- Tipos 15



I.5.7.- Proveedores y Marcas 16

I.6.- Motoniveladora 16



I.6.3.- Esquema 17


I.6.5.- Tipos 18




I.7.- Tractor bulldozer 19




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


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.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


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


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


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


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


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


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


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


Figura II.14.- Producción estimada para hojas rectas


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


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.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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


• 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


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


-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


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.


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


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.


• 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


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


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.


• 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



• 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.


• 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


I.7.2.- Operaciones

• Excavar (a cielo abierto en grandes dimensiones).

• Acarreo en grandes dimensiones.


• 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


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


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


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


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.


-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


• 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.


• Caterpillar

• Volvo

• Case

• Komatsu

• Johndeere

Capítulo I 26


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


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


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.;


13.- Caterpillar Inc., Manual de Operación y Mantenimiento Motoniveladora 130G. S.e.;


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


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


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


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


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


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


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


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


• 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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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,


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,


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,


17.- Duffuaa, R. D., Sistemas de Mantenimiento Planeación y Control, México, Ed. Limusa

S.A. de C.V., pp 419, 2006.

Capítulo II 59


18.- Caterpillar Inc., Undercarriage Systems and Components, Peoria Illinois, U.S.A., Ed.

Caterpillar Inc., pp 16, 2007.



CAPÍTULO III

ANÁLISIS NUMÉRICO

ELÁSTICO PARA

HERRAMIENTA DE

IMPLEMENTO

Capítulo III 61


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


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


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


• 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


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


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


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


• 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


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


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


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


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


Figura III.10.- Modelado de hoja frontal

Figura III.11.- Modelado de cara posterior y esqueleto interno

Capítulo III 74


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


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


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


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


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


• 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


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


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


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


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




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


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


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


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.




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


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


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


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


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


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


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


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


(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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


• 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


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


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


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


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


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


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


• 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


• 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


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


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,

S.A., Barcelona (1966).

4.- Dowling, N.E., Mechanical of behavior of Materials. Prentice-Hall International, 2da.

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.


20, 2011.

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.


CAPÍTULO V

ANÁLISIS NUMÉRICO

ELASTOPLÁSTICO

PARA SOPORTES DE

HERRAMIENTA DE

IMPLEMENTO

Capítulo V 120


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


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


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


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


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


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


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


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


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


• 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


• 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


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


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 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


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


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


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


• 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


• 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


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


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.


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.


CONCLUSIONES Y

DISCUSIONES



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.



• 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


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.

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