IM-2005-II-22 1

DISEÑO EVALUACION Y CONSTRUCCION DE UNA GRÚA HIDRÁULICA PARA TRACTOR.

LUIS ALBERTO MATALLANA GUZMÁN

Asesor: Profesor Asociado

CARLOS FRANCISCO RODRÍGUEZ

FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA

IM-2005-II-22 2

RESUMEN El objetivo del presente proyecto es el diseño de una grúa hidráulica para tractor destinada al manejo de cargas al interior de la finca. Tiene como característica principal su capacidad de levantar cargas hasta de una tonelada y media. Con altura útil de 3.5m y un alcance de 2.5m, la carga máxima en el extremo es de 5886N (600kg). No obstante, esta capacidad de carga llega hasta 14715N (1500kg) cuando se encuentra recogido completamente el brazo. En la metodología utilizada para el dimensionamiento de la grúa se revisaron aspectos funcionales de las diferentes formas en las que se podría cumplir con el objetivo principal de levantar cargas, teniendo en cuenta que al culminar el proyecto la grúa debería ser operada por un solo operario de la forma más versátil posible. Por otra parte el diseño final de todos los elementos que componen la grúa debe permitirle la condición de aparato de elevación, cumpliendo con la restricción de carga establecida. Con el fin de realizar un diseño correcto se han utilizado distintas herramientas CAD para dimensionar la grúa y sus elementos. Toda la grúa está realizada en SolidWorks® 2005 y se realizaron simulaciones en Ansys ® 8.0. El resultado de este proyecto es una grúa hidráulica, comparable en prestaciones a un montacargas o un puente grúa en la industria para el manejo de cargas pesadas, pero con la característica de poder ingresar a terrenos inasequible debido a que se encuentra ensamblada al tractor con el cual se realizan las tareas cotidianas de preparación de suelos, cosecha y post-cosecha al interior de la finca.

IM-2005-II-22 3

TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN.......................................................................................................................2 TABLA DE CONTENIDO..............................................................................................3 TABLA DE FIGURAS Y TABLAS...............................................................................5 AGRADECIMIENTOS...................................................................................................7 1. PREFACIO..............................................................................................................8 1.1 Objetivo general del proyecto..............................................................................8 1.2 Motivación del proyecto......................................................................................8 1.1 INTRODUCCION...............................................................................................9 1.1.1 Objetivos específicos del proyecto..................................................................9 1.1.2 Metodología empleada en el diseño.................................................................9 2. IDENTIFICACIÓN DE LA NECESIDAD...........................................................10 2.1 INVESTIGACION PRELIMINAR...................................................................10 2.1.1 Descripción de los distintos tipos de grúas ....................................................10 2.1.2 Tracto elevador YOMEL ref. THP-12.26......................................................11 2.1.3 Cargador de pallets invertido ref. OM-800-I................................................11 2.1.4 Púas para la carga de estibas y movimiento de rollos ref. OM-250-F...........12 2.1.5 Cargador de troncos ref. OM-850-T .............................................................12 2.2 Búsqueda realizada en los bancos de patentes...................................................13 2.3 Marcas y especificaciones de tractores disponibles en el mercado nacional. ....15 2.4 Cargas comúnmente levantadas al interior de la finca.......................................16 3. PLANTEAMIENTO DE OBJETIVOS.................................................................16 3.1 ESPECIFICACIONES DE DESEMPEÑO.......................................................17 3.2 IDEACION E INVENCION..............................................................................17 3.2.1 Mecanismo 1: (Mecanismo accionado por un cilindro hidráulico) ...............18 3.2.2 Mecanismo 2: (Mecanismo accionado por los brazos de levante del tractor) 18 3.2.3 Mecanismo 3: (Mecanismo accionado por el toma fuerza del tractor)..........18 3.2.4 Mecanismo 4: (Mecanismo accionado por un cilindro hidráulico) ...............19 3.2.5 Mecanismo 5: (Mecanismo conformado por un diferencial mecánico) ........19 3.2.6 Mecanismo 6: (Mecanismo accionado por la guía corredera) .......................19 4 ANALISIS .............................................................................................................20 4.1 Enganche al tractor.............................................................................................20 4.1.1 Visualización y descripción general del enganche al tractor .........................20 4.1.2 Especificaciones de enganche dadas por (ASAE) American Society of Agricultural Engineers. ..................................................................................................21 5 SELECCION..........................................................................................................22 6 DISEÑO DETALLADO........................................................................................23 6.1 Descripción general de la grúa hidráulica..........................................................23 6.1.1 Descripción general de los conjuntos.............................................................24 6.1.2 Dimensiones principales de la grúa ...............................................................25 6.1.3 Materiales empleados en la fabricación de la grúa ........................................26 6.2 Prestaciones de la grúa .......................................................................................27

IM-2005-II-22 4

6.2.1 Vida esperada de la grúa ................................................................................27 6.2.2 Cálculo de la distancia máxima de carga .......................................................28 6.2.3 Calculo deflexión en el brazo telescopico......................................................30 6.3 Análisis posicionamiento del Cilindro hidráulico..............................................36 6.4 Simulación de zonas críticas bajo condiciones de carga....................................37 6.5 Especificaciones generales del cilindro hidráulico ............................................39 6.5.1 Especificaciones el cilindro hidráulico JOHN DEERE .................................40 6.6 Dimensiones del gancho según normativa.........................................................41 7 MONTAJE.............................................................................................................42 8 COSTOS DE FABRICACION..............................................................................43 9 RESULTADO FINAL DEL PROYECTO DE GRADO.......................................44 CONCLUSIONES.........................................................................................................46 BIBLIOGRAFIA...........................................................................................................47 Libros sobre resistencia de materiales y diseño de máquinas ........................................47 Libros sobre grúas ..........................................................................................................48 Normativa sobre tractores ..............................................................................................48 Catálogos y manuales de tractores .................................................................................48 Páginas Web...................................................................................................................48 ANEXOS.......................................................................................................................49 I. MANUAL DE FUNCIONAMIENTO...................................................................49 INTRODUCCIÓN.........................................................................................................49 AL PROPIETARIO.......................................................................................................50 AL OPERARIO.............................................................................................................51 TRANSPORTE SOBRE CAMINOS Y CARRETERAS..............................................52 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS..............................................................................53 MONTAJE.....................................................................................................................54 PREPARACIÓN PARA TRABAJO............................................................................55 ACOPLE AL TRACTOR..............................................................................................56 REGULACIONES DURANTE LA OPERACIÓN.......................................................57 MANTENIMIENTO......................................................................................................58 II. FORMATO CALIFICACION DE DESEMPEÑO................................................59 III. PLANO CHASIS...............................................................................................60 IV. PLANO BRAZO EXTERNO............................................................................60 V. PLANO BRAZO INTERNO.................................................................................60 VI. PLANO GANCHO............................................................................................60

IM-2005-II-22 5

TABLA DE FIGURAS Y TABLAS Figura 2.1. Tracto elevador………………………………………………………………11 Figura 2.2. Cargador de pallets invertido. ……………………………………………....11 Figura 2.3. Púas cargadoras de estibas y rollos………………………………………….12 Figura 2.4. Cargador de troncos…………………………………………………………12 Tabla 2.1. Patentes nacionales bajo criterio “Grúa hidráulica”………………………….13 Tabla 2.2. Patentes nacionales bajo criterio “Equipos tractor”…………………………..14 Tabla 2.3. Tractores existentes en el mercado nacional………………………………….15 Tabla 2.4. Cargas comúnmente levantadas al interior de la finca……………………….16 Figura 3.1. Mecanismo 1………………………………………………………………...18 Figura 3.2. Mecanismo 2………………………………………………………………...18 Figura 3.3. Mecanismo 3……………………………………………………………...…18 Figura 3.4. Mecanismo 4………………………………………………………………...19 Figura 3.5. Mecanismo 5………………………………………………………………...19 Figura 3.6. Mecanismo 6……………………………………………………………...…19 Figura 4.1. Visualización general del enganche…………………………………………20 Figura 4.2. Dimensiones de enganche del tractor………………………………………..21 Tabla 4.1. Medidas y especificaciones para enganche de equipos………………………21 Tabla 5.1. Matriz de selección….………………………………………………………..22 Figura 6.1. Vista General de los conjuntos de la grúa…………………………………...23 Figura 6.2. Cotas generales de la grúa (Vista Lateral)…………………………………...25 Figura 6.3. Cota general de la grúa (vista frontal)……………………………………….26 Figura 6.4. Especificaciones geométricas del material seleccionado…………………....27 Tabla 6.1. Datos técnicos del material seleccionado…………………………………….27 Tabla 6.2. Peso del tractor y sus componentes…………………………………………..28 Figura 6.5. Cargas que generan momento……………………………………………….28 Figura 6.6 Grafica de carga a lo largo del brazo telescopico…………………………….29 Tabla 6.3. Momento ejercido por la (carga levantada +peso especifico de la grúa)……..30 Figura 6.7. Diagrama de cuerpo libre para el brazo telescopico…………………………31 Figura 6.8. Dimensiones y modulo de elasticidad de la sección cuadrada………………33 Figura 6.9. Propiedades de la sección rectangular……………………………………….33 Figura 6.10. Diagrama de cortante y momento…………………………………………..34 Figura 6.11. Diagrama de inclinación y deflexión……………………………………….35 Tabla 6.4. Condiciones iniciales para el cálculo…………………………………………36 Tabla 6.5. Resultados del cálculo de Posicionamiento…………………………………..37 Figura 6.12. Cargas aplicadas sobre el brazo externo……………………………………38 Figura 6.13. Simulación del brazo externo………………………………………………38 Figura 6.14. Especificaciones para el Cilindró Hidráulico………………………………39 Tabla 6.6. Medidas y especificaciones cilindro hidráulico………………………………39 Figura 6.15. Especificaciones Cilindró Hidráulico JOHN DEERE……………………...40 Tabla 6.7. Especificaciones generales Cilindro Hidráulico……………………………...40 Tabla 6.8. Especificaciones especificas de Cilindro Hidráulico escogido………………40 Figura 6.16. Gancho de sujeción…………………………………………………………41

IM-2005-II-22 6

Tabla 6.9. Dimensiones de ganchos simples…………………………………………….42 Tabla 8.1. Costos de fabricación de la Grúa…………………………………………….43 Figura 9.1 GRUA HIDRAULICA PARA TRACTOR (Vista Lateral)…………………44 Figura 9.2. GRUA HIDRAULICA PARA TRACTOR (Vista frontal)…………………44 Figura 9.3. GRUA HIDRAULICA PARA TRACTOR (Vista detalle general)………...45 Figura 9.4. GRUA HIDRAULICA PARA TRACTOR (Vista Detalle del enganche)….45 Figura I.1. Isométrico general de la grúa………………………………………………...53 Figura I.2. Vista lateral de la grúa………………………………………………………53 Figura I.3. Vista frontal de la grúa………………………………………………………53 Figura I.4. Componentes la grúa…………………………………………………………54

IM-2005-II-22 7

AGRADECIMIENTOS

Estos últimos años han sido sin duda los más enriquecedores de mi vida tanto en el aspecto académico como en el personal. Esto se lo debo a todas las personas con las que he compartido estos años, en especial mis padres Jose Antonio Matallana Castellanos y Adriana Guzmán Bernal, que confiaron constantemente en mis capacidades e hicieron posible la culminación de mis estudios de pregrado. En lo que al proyecto se refiere, agradezco en particular: A Carlos Francisco Rodríguez, asesor del proyecto, por su ayuda y disposición para resolver las dudas que han ido surgiendo a lo largo de éste. Su disponibilidad, criterio y acertada dirección han sido claves para concluir eficazmente el proyecto.

IM-2005-II-22 8

1. PREFACIO

1.1 Objetivo general del proyecto El objetivo principal de este proyecto de grado para optar al titulo de Ingeniero Mecánico es el diseño, evaluación y construcción de una Grúa hidráulica para acoplar a un tractor, que permita el transporte de diversos tipos de cargas que se pueden encontrar al interior de una finca. A lo largo de su desarrollo se espera poder aplicar los conocimientos adquiridos para identificar las zonas críticas bajo condiciones de carga, de los elementos mecánicos más representativos que componen la grúa. Todo esto identificando los esfuerzos significativos en estas zonas y finalmente poder determinar si la diferencia entre la resistencia del material y los esfuerzos máximos sobre el mismo son suficientes para mantener cargas hasta de una tonelada y media, en condiciones seguras de servicio. A su vez se espera poder construir un mecanismo operado con la bomba hidráulica del tractor que permita ser manipulado y ensamblado por dos ó máximo tres personas, que tenga la característica de ser desmontable de manera ágil, ya que al interior de una finca este aspecto es de vital importancia, debido a que nos se cuenta con dispositivos como: diferenciales, puente grúas ó montacargas que faciliten esta tarea.

1.2 Motivación del proyecto La principal motivación para realizar el presente proyecto es brindar soluciones eficaces en el manejo de cargas de gran volumen y peso al interior de una finca, donde acceder a un servicio como el prestado por esta grúa es verdaderamente complicado, por tal motivo se diseñara y construir un mecanismo hidráulico que tenga como cualidad principal el aprovechamiento de herramientas tan importantes como el tractor en las actividades agrícolas cotidianas, brindando soluciones eficaces y rentables a los agricultores y ganaderos. Evitando la subutilizacion de la maquinaria existente y los sobre costos que representa contratar un servicio similar al que puede prestar la grúa hidráulica desarrollada a lo largo de este proyecto de grado.

IM-2005-II-22 9

1.1 INTRODUCCION

1.1.1 Objetivos específicos del proyecto Diseñar y construir un mecanismo que permita levantar cargas hasta de

una tonelada y media, que este ensamblado al tractor y opere hidráulicamente

Obtener un mecanismo que permita ser manipulado, ensamblado y

desmontado por dos ó tres operarios Identificar por medio de simulaciones las zonas críticas bajo condiciones

de carga, los elementos mecánicos más representativos que componen la grúa.

Determinar si la diferencia entre la resistencia del material y los esfuerzos

máximos sobre el mismo son suficientes para mantener cargas hasta de una tonelada y media

1.1.2 Metodología empleada en el diseño El diseño de esta grúa fue un proceso estructurado, llevado paso a paso para lograr un resultado coherente a los objetivos propuestos, evitando omitir ningún aspecto que fuera influyente durante el desarrollo de este proyecto de grado. Se ha pretendido a lo largo del proyecto explicar y justificar todas las decisiones tomadas. Por tal motivo se tuvieron en cuenta las diez etapas del proceso de diseño, enunciadas a continuación:

1 Identificación de la necesidad 2 Investigación preliminar. 3 Planteamiento de objetivos 4 Especificaciones de desempeño 5 Ideación e invención 6 Análisis 7 Selección 8 Diseño detallado 9 Creación de prototipos y pruebas 10 Fabricación

IM-2005-II-22 10

2. IDENTIFICACIÓN DE LA NECESIDAD La iniciativa de este proyecto radica en la subutilización de herramientas tan importantes como puede llegar a ser un tractor en las actividades agrícolas cotidianas; por tal motivo, su objetivo principal radica en brindar soluciones eficaces en el manejo de cargas de gran volumen y peso al interior de una finca, donde acceder a un servicio como el prestado por esta grúa es verdaderamente complicado.

2.1 INVESTIGACION PRELIMINAR

2.1.1 Descripción de los distintos tipos de grúas Al realizar la búsqueda de mecanismos (grúas) que cumplan funciones similares, se encontró que en países como Argentina, Chile y Brasil fabrican grúas, que de igual manera son acopladas al tractor y son operadas con la bomba hidráulica. A continuación se presentan algunas de las empresas que fabrican este tipo de mecanismos como también los antecedentes encontrados respecto al tema de este proyecto.

IM-2005-II-22 11

2.1.2 Tracto elevador YOMEL ref. THP-12.26. Este tipo de grúa (figura 2.1) puede ser enganchada a los tres puntos del tractor, tiene una capacidad de carga de 1200 Kg., puede levantar cargas a una altura de 2.6 m, con disposición de montaje a cualquier tractor que tenga bomba hidráulica, cuenta con un cilindro de doble efecto para efectuar los movimientos de elevación, puede ser inclinada de 15 grados hacia adelante y 10 grados hacia atrás, a su vez posee una parrilla de protección para el operario.1 Figura 2.1. Tracto elevador

2.1.3 Cargador de pallets invertido ref. OM-800-I

Este tipo de grúa (figura 2.2) puede ser enganchada de igual forma a los tres puntos del tractor, tiene una capacidad de carga de 1000 Kg., puede levantar cargas a una altura de 2 m, puede ser montada a cualquier tractor que tenga bomba hidráulica, cuenta con dos cilindros de doble efecto para efectuar los movimientos de elevación.2

Figura 2.2. Cargador de pallets invertido.

1 Tomado de: http://www.viarural.com.ar/viarural.com.ar/insumosagropecuarios/agricolas/sembradoras/yomel/tractoelevador-thp-12.26.htm, visitada el 10 de Abril de 2005. 2 Tomado de: http://www.viarural.com.ar/viarural.com.ar/insumosagropecuarios/agricolas/cargadoresfrontalesyotras/omarmartin/default.htm, visitada el 10 de Abril de 2005.

IM-2005-II-22 12

2.1.4 Púas para la carga de estibas y movimiento de rollos ref. OM-250-F

Este tipo de grúa (Figura 2.3) puede ser enganchada a los tres puntos del tractor, tiene una capacidad de carga de 900 kg, es un maquina para labores de henolaje, puede levantar cargas a una altura de 3 m, puede ser montada en cualquier tipo de tractor.3

Figura 2.3. Púas cargadoras de estibas y rollos

2.1.5 Cargador de troncos ref. OM-850-T

Este tipo de grúa (figura 2.4) realiza labores de forestación, tiene una capacidad de carga de 1200 Kg., puede levantar cargas a una altura de 3 m, puede ser montada a cualquier tractor que tenga bomba hidráulica, cuenta con dos cilindros de doble efecto para efectuar los movimientos de elevación.4

Figura 2.4. Cargador de troncos.

3 Tomado de: http://www.viarural.com.ar/viarural.com.ar/insumosagropecuarios/agricolas/cargadoresfrontalesyotras/omarmartin/default.htm, visitada el 10 de Abril de 2005. 4 Tomado de: http://www.viarural.com.ar/viarural.com.ar/insumosagropecuarios/agricolas/cargadoresfrontalesyotras/omarmartin/default.htm, visitada el 10 de Abril de 2005.

IM-2005-II-22 13

2.2 Búsqueda realizada en los bancos de patentes Se realizo la búsqueda en el banco de patentes mediante la exploración en las siguientes páginas:

http://www.sic.gov.co/ Superintendencia de industria y comercio http://www.uspto.gov/ Banco de patentes de los Estados Unidos http://www.delphion.com/ Banco de patentes de Europa.

Al revisar en el banco de patentes de la Superintendencia de Industria y Comercio de Colombia http://www.sic.gov.co/, no se encontró ninguna patenté nacional de algún mecanismo que cumpliera una función similar a la que se logra con el desarrollo de este proyecto de grado, a continuación se muestran la (tabla 2.1.) arrojada por el sistema de búsqueda bajo el criterio, “grúa hidráulica”. No País Tipo Gaceta Pub Expediente Título 1 CO Patente 271 1082 92 148509 Puente móvil regulable y desmontable para grúas. 2 CO Patente 276 1705 92 152491 Perfeccionamientos introducidos en grúas sobre camión

3 CO Patente 284 2679 92 154815 Estructura de edificios y más particularmente a aquellas estructuras requeridas para la industria.

4 CO Patente 506 430 98 25422 Proceso para la transformación en frío de desechos municipales y/o lodos en materiales inertes y planta para llevar a cabo dicho proceso.

Tabla 2.1. Patentes nacionales bajo criterio “Grúa hidráulica” 5 A continuación se muestra la (tabla 2.2.) con las patentes encontradas en el sistema de búsqueda de la Superintendecia de Industria y Comercio de Colombia, correspondientes al criterio de búsqueda “equipos tractor”

5 Tabla Resultado de Búsqueda en Patentes Colombianas Fuente: http://www.sic.gov.co/general.php?modulo=servicios_en_linea/servicios_en_linea Visitada: 14 de Abril de 2005

IM-2005-II-22 14

No País Tipo Gaceta Pub Expediente Título 1 CO Patente 231 746 92 135624 Maquina aplicadora de abono. 2 CO Patente 271 1050 92 147441 Equipo para la aplicación de abonos y fertilizantes.

3 CO Patente 275 1604 92 163633 Instalación de control de frenos para remolque montada sobre el tractor

4 CO Patente 283 2432 92 174346 Maquina sembradora de zanahorias y otras hortalizas de semillas de tamaño similar para siembras en hileras.

5 CO Patente 287 3636 92 181249 Sistema de carga y descarga para, remolques con polímeros, un eje de ruedas y un chasis

6 CO Patente 287 3729 92 177130 Sistema direccional para semirremolques 7 CO Patente 293 4072 92 190585 Mejoras introducidas en máquinas recolectoras de tubérculos 8 CO Patente 295 4190 92 182330 Perfeccionamiento en aperos subsoladores 9 CO Patente 295 4191 92 185439 Mejoras de órganos de enganche para aperos agrícolas 10 CO Patente 295 4192 92 189737 Mejoras en arados subsoladores 11 CO Patente 318 10 92 201675 Bomba dosificadora de amoniaco anhidro 12 CO Patente 343 300 92 271898 Sembradora de granos

13 CO Patente 354 142 92 299895 Maquina descargadora de bultos grandes transportadores de polvos, granos y productos granulados

14 CO Patente 369 454 92 342219 Aplicador selectivo de herbicidas a base de mechas o cuerdas

15 CO Patente 379 153 92 344003 Maquina para la colocación de una superficie de plástico sobre un terreno sembrado/plantado de productos horticolas y similares.

16 CO Patente 418 596 93 424737 Dispositivo óleo-neumático de control de cargas. 17 CO Patente 441 376 94 58221 Semiremolque volteo cilíndrico (sin chasis).

18 CO Patente 481 342 99 6668 Procedimiento para la transformación y deshidratación de residuos orgánicos, sus productos y equipos.

19 CO Patente 502 1139 99 72514 Método y aparato para fabricar bandas integrales de caucho para tractor.

20 CO Patente 506 524 99 65574 Método y aparato para fabricar una banda sin fin de caucho para tractor.

21 CO Modelo 507 15 99 54159 Cosechadora furgón de forrajes para ensilajes. 22 CO Patente 521 955 99 79890 Aparato operado por aire para desacoplar la quinta rueda. 23 CO Patente 525 1393 1 63853 Sistema neumático de distribución de semillas.

24 CO Modelo 531 82 3 32522 Máquina cosechadora picadora de forrajes y residuos de cosecha para campos de alta producción.

25 CO Modelo 534 117 3 39367 Zanjador de doble pala con descarga unilateral. Tabla 2.2. Patentes nacionales bajo criterio “Equipos tractor”6

6 Tabla Resultado de Búsqueda en Patentes Colombianas Fuente: http://www.sic.gov.co/general.php?modulo=servicios_en_linea/servicios_en_linea Visitada: 14 de Abril de 2005

IM-2005-II-22 15

2.3 Marcas y especificaciones de tractores disponib les en el mercado nacional.

Al realizar la búsqueda de información pertinente a las marcas de tractores más representativas a nivel nacional y con la colaboración de los diferentes distribuidores en Bogotá, se pudieron determinar las características generales de operación y funcionamiento, la potencia suministrada y las dimensiones de enganche establecidas para poder acoplar la grúa que se quiere diseñar. La información recopilada se resume en la (Tabla 2.3.) donde se muestran las marcas más representativas de tractores, las referencias y la potencia en Horse Power (Hp) para cada uno de los modelos.

POTENCIA DEL MOTOR (HP) TRACTOR MODELO POTENCIA

(Hp) BX 60, BX 4.60 57

BX 90, BX 4.90 83 BX 100 91

AGRALE

BX 4.110 103 MX 110 110

CASE MX 120 120

4610, 4630 63 4810 66

5610, 5610-4, 5030 75

5630 80 6610, 6610-4 83

6630 90

FORD NEW HOLLAND

7610, 7610-4, 7630 103

8030 86 KUBOTA

9000 90 235, 235 Estreito, 250 51

265, 265-4, 265 Estreito 65

275, 275-4 75 283, 283-4, 290, 290-4 86

MASSEY FERGUSON

292, 292-4 105 5403, 5600 75

5700 85 JOHN DEERE

6300 100

BM 85 85 885 TS 94 VALTRA

VALMET BM 100 100

Tabla 2.3. Marcas de tractores más representativas del mercado nacional.

IM-2005-II-22 16

2.4 Cargas comúnmente levantadas al interior de la finca. A continuación se muestra la (tabla 2.4) donde son evidenciadas algunas de las cargas más representativas que pueden ser levantadas con la grúa que se desarrollará a lo largo de este proyecto.

DESCRIPCION PESO

APROXIMADO [kg]

LONGITUD [m]

ANCHO [m]

ALTURA [m]

TRONCOS DE MADERA

500 4 1 No aplica

PIEDRAS 250 1 1 1

PACAS DE HENO 70 1 1 1

MOTOBOMBAS 1000 1 0.5 0.8 VACAS EN

PARTO 800 2.5 1 1.5

TUBERIA DE RIEGO 80 6 0.1 No aplica

EQUIPO DE HENOLAJE 1200 1.5 2.5 1.5

CANTINAS 80 0.8 0.5 No aplica EQUIPOS

AGRICOLAS 1100 3 2 1.5

DUCTOS DE SUCCION 1100 9 0.8 No aplica

BULTOS DE CONCENTRADO 50 0.6 0.6 No aplica

Tabla 2.4. Cargas comúnmente levantadas al interior de la finca

3. PLANTEAMIENTO DE OBJETIVOS Aun ya estando definido el objetivo general como también los específicos, se quiere resaltar que durante el desarrollo del presente proyecto de grado se espera poder diseñar una grúa versátil y de fácil operación, evaluando las mejores alternativas que se puedan aplicar para cumplir con dicho objetivo, teniendo en cuenta que se deben utilizar materiales de fácil consecución en el mercado nacional, bajo costo pero que a su vez proporcionen la mayor resistencia y durabilidad garantizando el correcto funcionamiento a condiciones extremas de trabajo.

IM-2005-II-22 17

3.1 ESPECIFICACIONES DE DESEMPEÑO A continuación se enumeraran las características más relevantes y diferenciadores con las grúas ya existentes.

1. La grúa tiene la capacidad de ser enganchada a los tres puntos de cualquier tipo de tractor dentro de un rango de 60 a 120 Hp sin importar la marca o el modelo

2. Deberá ser accionada únicamente por la bomba hidráulica del tractor 3. Capacidad de carga de 600 a 1500 kg, dependiendo de la ubicación de la

carga a lo largo del brazo telescopico. 4. Levanta cargas en un rango de 0.2m a 3 m con respecto al piso. 5. Cuenta con un cilindro hidráulico de doble efecto para efectuar los

movimientos de elevación 6. Debe ser operado por una sola persona (Tractorista) 7. Para efectos del montaje y desmontaje no debe necesitar más de 2

personas debidamente capacitadas. 8. Debe engancharse al tractor (enganche tripuntual) sin necesidad de

dispositivos adicionales de acople. 9. Cuenta con un sistema de soporte el cual permite un ensamble ágil al

tractor cuando se desee poner nuevamente en operación. 3.2 IDEACION E INVENCION

En esta fase del proceso de diseño se generan un número representativo de ideas (lluvia de ideas) que puedan aportar a la solución del problema, teniendo en cuenta las características de desempeño mencionadas anteriormente, finalizando esta etapa del diseño se evaluará y elegirá la alternativa que mas se ajuste a las condiciones y objetivos establecidos al inicio del presente proyecto.

IM-2005-II-22 18

3.2.1 Mecanismo 1: (Mecanismo accionado por un cilindro hidráulico)

El mecanismo mostrado en la (Figura 3.1) se compone de un brazo articulado en el extremo sobre el chasis central, a su vez cuenta con un cilindro hidráulico de doble efecto el cual se encarga de generar el movimiento del brazo para levantar las cargas suspendidas en el gancho. Figura 3.1. Mecanismo 1

3.2.2 Mecanismo 2: (Mecanismo accionado por los brazos de levante del tractor)

El mecanismo que se muestra en la (Figura 3.2) se compone de un brazo pivotado sobre el chasis central, levantando las cargas suspendidas en el gancho debido al movimiento vertical generado por los dos brazos de levante donde se encuentra ensamblada.

Figura 3.2. Mecanismo 2

3.2.3 Mecanismo 3: (Mecanismo accionado por el toma fuerza del tractor)

El mecanismo mostrado en la (Figura 3.3) se compone de reductor y un juego de poleas, los cuales son accionados por el toma fuerza del tractor que al generar un movimiento rotacional hace recoger la guaya en la cual se encuentran suspendidas las cargas que se quieren levantar. Figura 3.3. Mecanismo 3

IM-2005-II-22 19

3.2.4 Mecanismo 4: (Mecanismo accionado por un cilindro hidráulico)

El mecanismo mostrado en la (Figura 3.4) se compone de un chasis central y un juego de uñas que se desplazan verticalmente debido al movimiento generado por un cilindro hidráulico de doble efecto, el cual se encargan de levantar las cargas que se encuentra aquí soportadas.

Figura 3.4. Mecanismo 4

3.2.5 Mecanismo 5: (Mecanismo conformado por un diferencial mecánico)

El mecanismo mostrado en la (Figura 3.5) se compone por un chasis central y un brazo rotacional en forma de I, sobre este brazo se desplaza horizontalmente una diferencial de cadena, que se encarga de reducir la fuerza proporcionada manualmente por el operario para levantar las cargas. Figura 3.5. Mecanismo 5

3.2.6 Mecanismo 6: (Mecanismo accionado por la guía corredera)

El mecanismo que se muestra en la (Figura 3.6) se compone de un brazo pivotado sobre el chasis central, el cual levanta las cargas suspendidas en el gancho debido al desplazamiento vertical efectuado por la corredera en el momento en que son levantados los brazos de enganche por la bomba hidráulica

Figura 3.6. Mecanismo 6

IM-2005-II-22 20

4 ANALISIS

4.1 Enganche al tractor Para poder hacer el correspondiente análisis de cada uno de los mecanismos es indispensable tener en cuenta las condiciones de enganche y sus correspondientes medidas para posteriormente realizar el análisis de las condiciones de operación de los mecanismos.

4.1.1 Visualización y descripción general del enganche al tractor

Figura 4.1. Visualización general del enganche7

7 Imagen tomada del Manual de Instrucciones Tractor Kubota M-6800, M-8200, M-900, proporcionado por el distribuidor (LUYMA TRACTORES).

DESCRIPCIÓN DE LA PARTE

1. Eslabón superior al enganche del 3er punto

2. Brazo de levante izquierdo

3. Estabil izadores telescopios

4. Barra inferior 5. Brazo de levante

derecho 6. Barra de tiro

IM-2005-II-22 21

4.1.2 Especificaciones de enganche dadas por (ASAE) American Society of Agricultural Engineers.

Después de haber establecido los diseños mencionados anteriormente, se emplearon técnicas geométricas para analizar el desempeño de cada uno de los mecanismos, asumiendo condiciones y distancias constantes de enganche al tractor, en la (figura 4.2) y la (tabla 4.1) se muestran las medidas más representativas en el enganche del tractor.

Figura 4.2. Dimensiones de enganche del tractor8 (Ver tabla 4.1.) Dimensiones mm (in)

CATEGORIA I II III Diámetro Nominal

Operación Estándar Velocidad RPM

35mm (1 3/8in)

540±10

35mm (1 3/8in)

1000±25

45mm (1 3/4in)

1000±25 (K) Diámetro pin de enganche,

Min 20.6 (0.81) 20.6 (0.81) 33.1 (1.31)

(L) Diámetro pin auxiliar de enganche 13.7 (0.68) 13.7 (0.68) 13.7 (0.68)min

(M) Distancia al entre centro (pin de enganche al auxiliar)

102 (4.0) ± 0.08 (0.03) 102 (4.0) ± 0.08 (0.03) 102 (4.0) ± 0.08 (0.03)

(N) Distancia inf erior hábil al centro del eje de transmisión

PTO 122 (4.8) 122 (4.8) 165 (6.5)

(P) Distancia f rontal hábil al centro del pin de enganche 203 (8.0) 203 (8.0) 203 (8.0)

(R) Distancia horizontal al pin de enganche de la llanta trasera 25 (1.0) 25 (1.0) 25 (1.0)

(S) Altura de la barra de enganche con llantas populares

Max potencia al PTO Arriba de 119 Kw (160 hp) Debajo de 93 Kw (125 hp)

330 (13.0) a 508 (20.0) 381 (15.0) a 559 (22.0)

330 (13.0) a 508 (20.0) 381 (15.0) a 559 (22.0)

330 (13.0) a 508 (20.0) 381 (15.0) a 559 (22.0)

(T) Distancia del eje de transmisión PTO al pin de

enganche 356 (14.0) 406 (16.0) 508 (20.0)

(U) Distancia del eje de transmisión PTO a la barra de

enganche

Pref erida Mínima Máxima

203 (8.0)

152 (6.0) 305 (12.0)

203 (8.0) 152 (6.0)

305 (12.0)

203 (8.0) 152 (6.0)

305 (12.0)

Tabla 4.1. Medidas y especificaciones para enganche de equipos9 8 Tomado de (American Society of Agricultural Engineers. [ASAE] (,1984)) Agricultural Engineers Yearbook of Stándards. ASAE publication.

IM-2005-II-22 22

Después de realizados los correspondientes cálculos, se confrontaran en la siguiente fase del proceso de diseño. 5 SELECCION En esta etapa del proceso de diseño fue indispensable realizar un análisis comparativo, por medio de una matriz de decisión mostrada a continuación en la tabla 5.1, la cual permite identificar la mejor solución considerando los factores más preponderantes de manera sistemática. Para posteriormente continuar con el diseño detallado.

ALTURA

DE CARGA

VENTAJA MECANICA PESO MONTAJE COSTO RANGO

FACTOR DE PONDERACIÓN 0.2 0.2 0.3 0.2 0.1 1 (100%)

Diseño 1 9/1.8 10/2 7/2.1 8.5/1.7 6/0.6 8.2

Diseño 2 5/1 8/1.6 8/2.4 7.5/1.5 7/0.7 7.2

Diseño 3 10/2 6/1.2 5/1.5 6/1.2 4/0.4 6.3

Diseño 4 9/1.8 4/0.8 8/2.4 5/1 8/0.8 6.8

Diseño 5 9/1.8 9/1.8 7/2.1 8/1.6 4/0.4 7.7

Diseño 6 4/0.8 6.5/1.3 6/1.8 2/0.4 3/0.3 4.6

Tabla 5.1. Matriz de selección. En esta tabla se comparan de manera complementaria las cinco características que representan mayor importancia en el desempeño de la grúa, de tal forma se establece un factor de ponderación para cada una de estas características que después de ser sumados representan. 9 Tomado de (ASAE, 1984).

IM-2005-II-22 23

6 DISEÑO DETALLADO

6.1 Descripción general de la grúa hidráulica. Con base en las limitaciones existentes al interior de la finca y teniendo en cuenta el enganche a los diferentes tractores se determinaron las medidas y la configuración del mecanismo. Ante todo se espera lograr cargar el máximo volumen, formas diversas y que a su vez la grúa sea de fácil ensamble y operación. En la (figura 6.1) se muestra esquemáticamente el mecanismo. Como se puede anotar, consta de tres partes principales. La primera es el chasis central en el cual articula y se sujeta un conjunto brazos telescopico, que son accionados el por un cilindro hidráulico de doble efecto.

Figura 6.1. Vista General de los conjuntos de la grúa.

El chasis principal de la grúa tiene la posibilidad de ser enganchado a cualquier tipo de tractor ya que cuenta con dos platinas que se encuentran soldadas en su parte inferior que a su vez cuentan con un juego de orejas complementarias para enganchar otro equipo, debido a que esta grúa movilizará diferentes tipos de cargas se habilito un enganche central para remolques que podrán desplazar las diversas cargas que son levantadas durante la operación.

IM-2005-II-22 24

Para lograr mayor capacidad volumétrica de carga se prescindió de elementos complementarios horizontales, para optimizar el acceso desde cualquiera de los costados en que se quiera sujetar la carga que se espera levantar. La rigidez estructural se aumentó debido a que durante el proceso de fabricación y elaboración se incluyeron refuerzos en los elementos que estarán sometidos a niveles de carga representativos. El brazo telescópico tiene como fin principal facilitar el enganche de cargas a diferentes distancias y a su vez aumentar el volumen rectangular máximo que se puede acarrear, este volumen es aproximadamente de 34m .

6.1.1 Descripción general de los conjuntos La grúa hidráulica es un mecanismo de elevación cuya característica principal es la facilidad para su montaje y operación. Para ello se compone de distintas conjuntos. Estos conjuntos, tal y como se ve en la (figura 6.2) son: Chasis: Es la estructura de la grúa en contacto con el tractor, sirve de

base para el resto de conjuntos de la grúa. Aquí van ensamblados los principales elementos de la grúa, tales como el brazo externo y la botella hidráulica. El chasis es enganchado al tractor en su extremo inferior mediante dos pasadores.

Brazo externo: Tubo estructural de sección rectangular que aloja en el

interior el brazo interior. Adopta las diferentes posiciones verticales debido al accionamiento del cilindro hidráulico. Este brazo se encuentra ensamblado en la parte superior del chasis mediante un pasador.

Brazo interior: Tubo estructural ensamblado sobre el brazo externo que

puede ser estirado o retraído para lograr mayores o menores longitudes de enganche para lograr un brazo “telescópico”. Se encuentra unido al brazo externo mediante un pasador.

· Gancho: Elemento que permite elevar y descender la carga.

Cada conjunto se describirá en detalle en los siguientes apartados, en donde se explicarán y justificaran las soluciones constructivas finalmente adoptadas.

IM-2005-II-22 25

6.1.2 Dimensiones principales de la grúa Las dimensiones de la grúa se escogen por las necesidades a las que se quiere adaptar la grúa. Si se pretende poder levantar las cargas a alturas que permitan movilizar el tractor sin que la carga sufra ningún tipo de daño, las dimensiones se espera que sean similares a las de la figura 6.2 y 6.3. Se ha definido por restricciones de carga la longitud total de los brazos. La variación de la capacidad de carga a lo largo de los dos brazos se explicara con mayor detenimiento en el siguiente apartado. Dimensiones en [mm]

Figura 6.2. Cotas generales de la grúa (vista lateral)

IM-2005-II-22 26

Dimensión en [mm]

Figura 6.3. Cota general de la grúa (vista frontal)

6.1.3 Materiales empleados en la fabricación de la grúa La grúa está construida utilizando principalmente perfiles estructurales de acero. Se han utilizado aceros normales de construcción, en particular el acero estructural A-36 cuyo modulo de elasticidad es de 200GPa. Dichos tubos de sección rectangular son muy resistentes a la flexión, permitiendo un mejor uso del material, con un esfuerzo de fluencia de

psiy 000.50=σ Igualmente, son muy eficientes a la compresión axial y son recomendados como vigas, para momentos grandes, cargas axiales moderadas.

IM-2005-II-22 27

También los pasadores empleados en las articulaciones de la grúa se han fabricado en el mismo tipo de acero, ya que giran a muy baja velocidad. A continuación se muestra en la figura 6.4 y la Tabla 6.1 las características geométricas del material seleccionado.

Figura 6.4. Especificaciones geométricas del material seleccionado

Dimensiones Propiedades Estáticas

Mm HxB [mm] E r

Sección A cm^2

Peso Kg/m

Ix [cm^4] Iy [cm^4]

200x70 4.3 6.45 21.85 17.15 1016.19 194.94 Tabla 6.1. Datos técnicos del material seleccionado

6.2 Prestaciones de la grúa

6.2.1 Vida esperada de la grúa Tanto para clasificar correctamente el aparato de elevación, como para justificar los cálculos a fatiga de distintos elementos, es preciso una estimación de la vida de la grúa. Para ellos se partirá de una duración de 10 años, contando una utilización anual de 200 días y 6 horas por día. Esta estimación tiene en cuenta que no todos los días laborables son días de trabajo para la grúa ya que está no estará permanentemente en utilización. Además, durante un día de trabajo la grúa no se emplea permanentemente, por lo que se ha reducido ligeramente la jornada de 8 a 6 horas. De todo ello resulta una vida de 12.000 horas.

IM-2005-II-22 28

6.2.2 Cálculo de la distancia máxima de carga El fin primordial de este diseño es el proveer un mecanismo hidráulico para el transporte de cargas al interior de los campos colombianos. Pero este cometido se ve limitado por las características del tractor al cual se va a enganchar, razón por la cual se han realizado los cálculos correspondientes para determinar la distancia de carga máxima permisible en la cual pueden ser levantadas las cargas con la grúa.

ESPECIFICACION PESO APROXIMADO DEL TRACTOR [Kg] 3000

CONTRAPESAS [Kg] 376 PESO LIQUIDOX LLANTA A 75% LLENADO[Kg] 752

PESO APROXIMADO DEL OPERARIO [Kg] 70 PESO CAPACETE [Kg] 20

TOTAL [Kg] 4218 Tabla 6.2. Peso del tractor y sus componentes

Figura 6.5. Cargas que generan momento

NKgWt 413784218 == NKgWo 245252500 ==

∑ = 0Fy 0)( =−−− WoWt

Sobre la rueda trasera se ejercerán la suma de los momentos contrarios.

∑ = 0M 0))(()( =⋅−⋅ WoXWtX ot

)()( WoXWtX ot ⋅=⋅

IM-2005-II-22 29

Se asume el peso promedio del tractor como una carga distribuida a lo largo de la distancia entre centros de las ruedas, por tanto.

NmmNtW 82756241378 =⋅=′ mNtW /82756=′

NkgWo 19622000 == Debido a esto la carga se posiciona a una distancia igual a 1m.

)()( 0 WoxtW ⋅=′ Entonces:

mWo

tWx 2.4

)()(=

′=

Reemplazando.

mN

Nmx 2.4

)24525()82756(==

Esto muestra que la máxima distancia a la cual se puede suspender una carga de 2500 kg es 3.37m Se decide que la grúa pueda manipular cargas de hasta 14715 N siempre que no se trasladen más allá de la mitad del brazo de la distancia total del brazo telescopico. A partir de este punto medio, la carga máxima disminuirá hasta llegar a los 5886 N en la punta del brazo telescópico. El diagrama de cargas se visualiza en la (figura 6.6)

Figura 6.6 Grafica de carga a lo largo del brazo telescopico.

CARGA VS DISTANCIA

0

200

400

600

800

1000

1200

1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3

DISTANCIA DEL CHASIS [m ]

CA

RG

A [K

g]

Serie1

IM-2005-II-22 30

Como se vio anteriormente se quiere que el momento ejercido por la carga levantada mas el peso especifico de la grúa no puede ser mayor que el momento ejercido por el peso del tractor y sus componentes. Por tanto si

∑ = 0M 0))(()( =⋅−⋅ WoXWtX ot

)()( WoXWtX ot ⋅≥⋅

DISTANCIA [m] CARGA LEVANTADA [Kg]

MOMENTO TOTAL [N*m]

1.8 1500 26487 2 1500 29430

2.2 1500 32373 2.4 1500 35316 2.6 1500 38259 2.8 1500 41202

Tabla 6.3. Momento ejercido por la (carga levantada +peso especifico de la grúa) Teniendo en cuenta que aun levantando 1500 kg a la distancia máxima de alcance de los brazos telescopicos de 2.5 m, NO podrá vencer el momento ejercido por el peso del tractor y sus componentes.

Momento del tractor > Momento de la grúa a 2.5m 41378Nm > 36787Nm

De tal modo que las restricciones de carga y longitud son validas para el correcto diseño de la grúa que se desarrolla en este proyecto de grado.

6.2.3 Calculo deflexión en el brazo telescopico En este apéndice se calcularan la deflexión, reacciones en los apoyos, momentos y cortantes a lo largo del brazo telescopico, para esto se considero el brazo como una viga con apoyos simples. Para poder realizar los cálculos correspondientes se asume que el brazo telescopico es un solo miembro, por tanto el diagrama de cuerpo libre es el mostrado en la (figura 6.7)

IM-2005-II-22 31

Figura 6.7. Diagrama de cuerpo libre para el brazo telescopico

Donde: Rx = Reacción en x del pivote en A Ry = Reacción en y del pivote en A Fb = Fuerza ejercida por cilindro hidráulico en B F = Fuerza ejercida en por la carga levantada en C α = Angulo de Fb con el brazo L = Distancia entre el punto A y el B a = Distancia entre el punto B y el C

0=∑Fy 0)cos( =−− FRyFb α

∑ = 0MB ( ) ( ) 0=− FaRyL

( )LFa

Ry =

Entonces reemplazando mL 26917.0=

ma 23.2= F = 1500Kg = 14715N α = 62.63° Se tiene que la reacción en y es =Ry 121909 N Teniendo el valor de Ry se remplaza en la primera ecuación para determinar la fuerza ejercida por el cilindro hidráulico (Fb).

)cos(αFRy

Fb+

=

NFb 157759=

Ry

Rx

Fb

F

AA BB CC

IM-2005-II-22 32

Teniendo el valor de la fuerza ejercida por el cilindro hidráulico cuando el brazo telescopico se encuentra en posición horizontal (perpendicular al chasis), se puede determinar las ecuaciones de las reacciones, cortante y su correspondiente momento para cualquier carga y a diferentes longitudes, ya que el brazo puede ser extraído o retraído según se requiera

LaF

Ry)(−

= )( aLLF

Rb +=

LaF

V BA)(−

=− FV CB =−

LaxF

M BA))((−

=− Donde x es la distancia a la cual se quiera evaluar.

)( aLxFM CB −−=− Ahora teniendo los cortantes y los momentos y por medio de técnicas de superposición, se determina la deflexión en cada uno de los puntos de la viga.10

)(6

))(( 22 xLEIL

axFy BA −=−

)(95.1996

23.2269.014715 22 xLGpa

mNy BA −

⋅⋅⋅⋅

=−

[ ])3()(6

)( 2 LxaLxEIl

LxFy CB −−−

−=−

)(3

)( 2

aLEL

aFyc +

−=

Utilizando el programa MD-Solids se encontraron la deflexiones del punto B y C, reemplazando los valores relacionados a continuación E = 199.95Gpa

=xI 1016.19 cm^4 =yI 104.94 cm^4

x = depende del punto de evaluación mL 26917.0=

ma 23.2= F = 1500Kg = 14715N En las siguientes figuras se muestra la sección transversal del tubo y sus diferentes datos técnicos más representativos, arrojados por MD-Solids.

10 Tomado de Joseph E. Shigley, (2002); Diseño en Ingeniería Mecánica, México; Bogota, Mc Graw Hill, \6ta edición.

IM-2005-II-22 33

Figura 6.8. Dimensiones y modulo de elasticidad de la sección cuadrada

Figura 6.9. Propiedades de la sección rectangular

IM-2005-II-22 34

Figura 6.10. Diagrama de cortante y momento

IM-2005-II-22 35

Figura 6.11. Diagrama de inclinación y deflexión

IM-2005-II-22 36

6.3 Análisis posicionamiento del Cilindro hidráulico Para realizar el correspondiente análisis se tuvieron en cuenta las condiciones que se mencionan a continuación en la (tabla 6.4)

B posicionamiento vertical del cilindro [mm] 520 A Longitud Mínima del cilindro [mm] 520 A Longitud máxima del cilindro [mm] 723.2

Angulo mínimo entre el cilindro y el chasis [grad] 45 Angulo máximo entre el cilindro y el chasis [grad] 90

Ly Longitud del chasis [mm] 1462 Lx Longitud Máxima del Brazo [mm] 2500 Lx Longitud Máxima del Brazo [mm] 2.5

F carga [Kg] 1500 F carga [N] 14715

Tabla 6.4. Condiciones iniciales para el cálculo Después de realizado el análisis por medio de la ley de cósenos, para determinar las distancias del triangulo en la que se ubica el cilindro hidráulico se obtuvo la siguiente tabla.

IM-2005-II-22 37

C Posicionamiento horizontal del cilindro [m]

Angulo entre el cilindro y el chasis [grad]

a = (Lx - C) Ry [N] VENTAJA MECANICA

0.00907559 1 2.49092441 4038740.478 0.362951 0.0230385 3.2 2.4769615 1582068.645 0.92006554 0.0489907 5.4 2.4510093 736192.8254 1.95080967 0.0689248 7.6 2.4310752 519018.8665 2.73273047 0.0888336 9.8 2.4111664 399401.9557 3.50146518 0.108709 12 2.391291 323688.4441 4.25313092 0.128545 14.2 2.371455 271468.8267 4.98446092 0.148334 16.4 2.351666 233289.5034 5.69187225 0.168067 18.6 2.331933 204170.9205 6.37108384 0.187739 20.8 2.312261 181235.2288 7.01993669 0.207342 23 2.292658 162709.2556 7.63433244 0.226868 25.2 2.273132 147438.7634 8.21080666 0.246311 27.4 2.253689 134638.8656 8.74699623 0.265663 29.6 2.234337 123759.3077 9.23869649 0.269171 30 2.230829 121954.6264 9.32408344 0.284917 31.8 2.215083 114401.5497 9.76809443 0.304066 34 2.195934 106270.2466 10.0828286 0.323103 36.2 2.176897 99141.88155 10.4284724 0.342021 38.4 2.157979 92844.18496 10.7203062 0.306813 40.6 2.193187 105187.025 9.31729718 0.379471 42.8 2.120529 82229.16701 11.1367149 0.39799 45 2.10201 77718.22697 11.2567492

Tabla 6.5. Resultados del cálculo de Posicionamiento Después de analizar los datos se encontró que el mejor ángulo para poder obtener la ventaja mecánica más apropiada y la menor reacción en el pasador donde se encuentra pivotado el brazo es 45 grados.

6.4 Simulación de zonas críticas bajo condiciones de carga. Teniendo en cuanta la posición de donde provienen las reacciones en el brazo, se fijaron los puntos específicos y se aplico la carga de 14715N (1500 kg) en la parte mas alejada del brazo externo, siendo la carga máxima para determinar la zona critica de carga. CARGA DE 1500 Kg

En la figura mostrada a continuación se encuentra la forma en que se aplicaron las cargas en el brazo externo de la grúa

IM-2005-II-22 38

Figura 6.12. Cargas aplicadas sobre el brazo externo

Ahora habiendo realizado el procedimiento anterior se encontraron los esfuerzos principales de Von Mises

Figura 6.13. Simulación del brazo externo

IM-2005-II-22 39

6.5 Especificaciones generales del cilindro hidráulico A continuación se muestra en la figura 6.14 y la tabla 6.6 las especificación requeridas para el cilindro hidráulico, dadas por la (ASAE) American Society of Agricultural Engineers.

Figura 6.14. Especificaciones para el Cil indró Hidráulico (ver Tabla 6.6)

ESPECIFICACION in Mm Accionamiento 4.00 101.6

Máximo Empuje 500 lb 2.2 kN Mínimo Empuje 1500 lb 6.67 kN

Tiempo Max accionamiento 8.0 s Tiempo Min accionamiento 2.0s (A) Distancia pin extendido 12.00+0.25-0.00 304.8+6.4-0.0 (B) Distancia al pin retraído 8.00+0.00-0.25 203.2+0.0-6.4

(C) Distancia eje agujero 0.75 19.1 (D) Distancia cuerpo agujero 7.00 177.8 (E) Distancia inferior agujero

cuerpo 0.75 19.1

(F) Diámetro del embolo 1.00±0.02 25.4±0.5 (G) Diámetro del agujero 0.520±0.006 13.21±0.15

(H) Diámetro pasador 0.495±0.05 12.57±0.13 (J) Distancia centro pasador 2.00±0.03 50.8±0.8

(K) Longitud pasador 4.00±0.06 101.6±1.5 (L) Diámetro externo del

cil indro 1.52 38.6

Tabla 6.6. Medidas y especificaciones cil indro hidráulico11 11 Tomado de (ASAE, 1984).

IM-2005-II-22 40

6.5.1 Especificaciones el cilindro hidráulico JOHN DEERE A continuación se muestra en la figura 6.15 y las tablas 6.7 y 6.8 las especificaciones dadas por el fabricante (JOHN DEERE) del cilindro hidráulico escogido.

Figura 6.15. Especificaciones Cilindró Hidráulico JOHN DEERE (ver Tabla 11.4)12

Peso 28 Lb 12.7 Kg

Diámetro Embolo 3 in

Diámetro Pistón 1.25 in

Recorrido 8 in

Presión de trabajo 2500 psi Tabla 6.7. Especificaciones generales Cilindro Hidráulico

C Q Diámetro embolo A*

(NPT) E G H I J M P

(UNF) R** S T V

3 10.25 ½-in. 2.5 2.625 1.125 1.125 2.125 2 0.425 1 1/4-12 1.015 1 1.13 3.75

-76.2 -260.4

-64 -66.7 -28.6 -28.6 -54 -51

-10.8 -25.8 -25.4

-29 -95.3

4 10.25 ½-in. 2.63 2.625 1.125 1.125 2.125 2 0.5 1 1/2-12

1.015 1.13 1.13 4.72

-101.6 -260.4 -67 -66.7 -28.6 -28.6 -54 -

51 -12.7 -25.8 -28.6 -29 -

120 Tabla 6.8. Especificaciones especificas de Cilindro Hidráulico escogido.13

12 Tomado de http://jdparts.deere.com/servlet/com.deere.u90.jdparts.view.servlets.partinfocontroller.PartDetails Visitada el 5 de noviembre de 2005

IM-2005-II-22 41

6.6 Dimensiones del gancho según normativa Los ganchos corresponden a las normas DIN 15401 y 15402 y se construyen en acero forjado de calidad AST-52. Todos los ganchos están dotados con pestañas de seguridad para impedir la salida del cable que soporta la carga. La siguiente figura muestra la forma del gancho así como sus dimensiones principales.

Figura 6.16. Gancho de sujeción [Fuente: Larrodé, Miravete, 1996, pág. 23]

Las dimensiones de los ganchos simples de forja según la norma DIN 15401 y 15402 están reflejadas en la siguiente tabla.

13 Tomado de http://jdparts.deere.com/servlet/com.deere.u90.jdparts.view.servlets.partinfocontroller.PartDetails Visitada el 5 de noviembre de 2005

IM-2005-II-22 42

Tabla 6.9. Dimensiones de ganchos simples de forja según Norma DIN15401 y 1540214

Se elige el gancho nº 2,5 cuya referencia es 2.5, ya que aún siendo el más pequeño tiene la capacidad de cumplir las solicitaciones requeridas. 7 MONTAJE Una de las principales ventajas de esta grúa es su facilidad para montarse y desmontarse al tractor, lo cual es un punto a resaltar en el diseño que se llevo a lo largo del desarrollo de este proyecto de grado. En el anexo se muestra el manual de funcionamiento para poder comprender de mejor manera el procedimiento de montaje que finalmente dará por resultado una grúa completamente lista para ser operada.

14 Tomado de : Larrodé, Miravete, 1996, pág. 23

IM-2005-II-22 43

8 COSTOS DE FABRICACION En la tabla 8.1 se relacionan los diferentes costos, resultado de la fabricación de la grúa hidráulica para tractor.

DESCRIPCION PRECIO Perfil Estructural (200x70mm) $ 535,920

Botella hidráulica JHON DEERE ref. TY25591 $ 532,440 Mangueras R2 x 3/8 $ 149,742

Adaptadores $ 17,806 Acoples Rápidos $ 33,060

Párales $ 22,185 Pasadores redondo 1 1/8 $ 23,177

Gancho $ 23,000 Thinner $ 17,400 Pintura $ 44,660 Base $ 30,740

Soldadura MIG $ 5,744 Mano de Obra $ 150,000

TOTAL $ 1,585,874 Tabla 8.1. Costos de fabricación de la Grúa

IM-2005-II-22 44

9 RESULTADO FINAL DEL PROYECTO DE GRADO

Figura 9.1 GRUA HIDRAULICA PARA TRACTOR (Vista Lateral)

Figura 9.2. GRUA HIDRAULICA PARA TRACTOR (Vista frontal)

IM-2005-II-22 45

Figura 9.3. GRUA HIDRAULICA PARA TRACTOR (Vista detalle general)

Figura 9.4. GRUA HIDRAULICA PARA TRACTOR (Vista Detalle del enganche)

IM-2005-II-22 46

CONCLUSIONES Los resultados obtenidos permiten establecer las características de esta grúa y poder comparar con las encontradas en la investigación preliminar. Mediante el planteamiento de ecuaciones y el estudio de gráficos resultantes, además del uso de herramientas CAD, se han optimizado varios de los elementos de la grúa. Así mismo se ha conseguido una maquina de fácil operación y montaje que mejora las condiciones al interior de la finca, ya que se pueda dar un mejor aprovechamiento al tractor, como herramienta primordial en el desarrollo de las actividades diarias en el campo colombiano. A su vez se sabe la diferencia entre la resistencia del material y los esfuerzos máximos sobre el mismo son suficientes para mantener cargas hasta de una tonelada y media, en condiciones seguras de servicio. Por último señalar que la tendencia actual en el mundo es reducir los costos automatizando los diferentes procesos lo que permite reducir los tiempos y para este caso en específico el tiempo de carga, así como las personas necesarias para dicho procedimiento, teniendo en cuenta las ventajas que esto conlleva.

IM-2005-II-22 47

BIBLIOGRAFIA Libros sobre resistencia de materiales y diseño de máquinas Joseph E. Shigley, (2002); Diseño en Ingeniería Mecánica, México; Bogota, Mc Graw Hill, 6ta edición. Norton Robert L, NRL, (1998); Machine Design an integrated approach, prentice hall. Juvinal R, J.R; Engineering Considerations of Stress, Strain and Strength. Ed. McGraw Hill. Hibbeler Russell Charles, R.C (2004); Mechanics of materials, Upper Saddle, New Jersey: Prentice Hall: Pearson Education, 6th ed. Androsov, A.A, (1989); Calculo de la vida útil de los cuerpos de los puentes de los tractores" Revista Tractores y Máquinas Agrícolas. Nro 5, Beer, Ferdinand Pierre, B.F.P; (1982) Mecánica de materiales, México; Bogota: Mc Graw-Hill, 2da ed. Fitzgerald, Robert W, F.R.W; (1990) Mecánica de materiales, México,: Alfaomega, Gere, James M. Stephen P. Timoshenko, (1998) Mecánica de materiales; México: Internacional Thomson Editores, 4ta ed. Luis Roberto Rincón Isaza, Tesis de Pregrado. Análisis experimental y computacional de esfuerzos sobre placas metálicas con hombro y/o agujero. Asesor: Luis Mario Mateus. Investigación no destructiva y cargas extremas en estructuras. Alberto Sarria Molina Fatigue Design concepts for P/M parts and required material, Princeton, NJ: Metal Poder Industries Federation,

IM-2005-II-22 48

Libros sobre grúas MIRAVETE, A. Aparatos de Elevación y Transporte. Antonio Miravete, Zaragoza, 1994. LARRODE, E., MIRAVETE, A. Grúas. Servicio de Publicaciones. Universidad de Zaragoza, Zaragoza, 1996. Normativa sobre tractores (American Society of Agricultural Engineers. [ASAE] (,1984)) Agricultural Engineers Yearbook of Stándards. ASAE publication. Catálogos y manuales de tractores Manual de funcionamiento tractor KUBOTA, Colombia Catalogo KUBOTA, Tractor 8030 Catalogo MASSEY FERGUNSON, Tractor 292. Páginas Web Grúas para tractor YOMEL [http://www.viarural.com.ar/viarural.com.ar/insumosagropecuarios/agricolas/sembradoras/yomel/tractoelevador-thp-12.26.htm] Grúas para tractor OMAR [http://www.viarural.com.ar/viarural.com.ar/insumosagropecuarios/agricolas/cargadoresfrontalesyotras/omarmartin/default.htm] Búsqueda en Patentes Colombianas SUPERINTRNDENCIA DE INDUSTRIA Y COMERCIO [http://www.sic.gov.co/general.php?modulo=servicios_en_linea/servicios_en_linea] Cilindro hidráulico JHON DEERE [http://jdparts.deere.com/servlet/com.deere.u90.jdparts.view.servlets.partinfocontroller.PartDetails]

IM-2005-II-22 49

ANEXOS

I. MANUAL DE FUNCIONAMIENTO

INTRODUCCIÓN La grúa hidráulica es útil en cualquier utilización, para agilizar la colecta de frutos o el movimiento y transporte de diferentes tipos de cargas utilizando el enganche tripuntal del tractor. Posee un conjunto hidráulico que permite que utilizar la bomba hidráulica del tractor permitiendo operar dicho mecanismo con eficiencia y seguridad. La grúa estando desmontada debe quedar completamente vertical, apoyada sobre sus tres apoyos, facilitando el reacoplamiento y enganche trasero al tractor Este manual contiene las instrucciones necesarias para o mejorar el desempeño de la Grúa, el operador debe leer con atención todo el Manual antes iniciar el montaje y posterior funcionamiento, ya que en este documento se encuentran consignadas las recomendaciones de seguridad para evitar lesiones y problemas antes y durante la operación.

IM-2005-II-22 50

AL PROPIETARIO Durante la adquisición de la grúa se deben tener en cuenta las siguientes condiciones y apéndices: Manual de Instrucciones Entrega Técnica en las instalaciones del comprador Verificar las condiciones del producto durante la entrega del producto. El personal técnico encargado de la entrega del producto debe impartir

las condiciones generales de seguridad y cuidados en la operación. Las instrucciones aquí contenidas indican el mejor uso que permite

obtener el máximo rendimiento, aumentando la vida útil del producto. Este manual debe ser encaminado a los Operadores y personal de

Mantenimiento. ! IMPORTANTE! El distribuidor del equipo no se responsabiliza por cualquier daño causado por accidentes ocurridos durante el transporte, utilización y almacenamiento incorrectos o indebidos de los productos, sea por negligencia y/o inexperiencia de cualquier persona. El distribuidor del equipo no se responsabiliza por danos provocados en situaciones imprevistas o alejadas del uso normal del producto

IM-2005-II-22 51

AL OPERARIO

Es de vital importancia se exige prestar atención a los cuidados básicos e indispensables exigidos durante los periodos de operación y mantenimiento. Tenga siempre en mente que la SEGURIDAD exige ATENCION CONSTANTE, OBSERVACION Y PRUDENCIA; durante el transporte, mantenimiento y ensamble de la grúa.

1. Revisar el nivel de aceite hidráulico de la bomba del tractor. 2. Espere a que el motor este caliente para operar la unidad hidráulica 3. Compruebe que las contrapesas frontales se encuentre colocadas y

aseguradas al chasis del tractor 4. Compruebe el funcionamiento de la unidad hidráulica, accionando los

brazos de enganche en ambos sentidos sin ninguna carga. 5. Verifique que el tractor cuenta con los pasadores de enganche

apropiados para la operación de la grúa, retírelos para dar inicio al proceso de montaje

6. Verifique que los todos y cada uno de los pasadores de la grúa se encuentre ensamblados y asegurados.

7. Durante el trabajo o transporte de cargas es indispensable que el operario permanezca al interior del tractor.

8. No permita que personas (niños) se encuentren cerca a la Grúa, estando esta en operación, transporte o ensamble.

9. Utilice elementos de protección individual. 10. Utilice ropas y calzado adecuados, evite utilizar ropas largas o accesorios

que puedan enroscarse en las partes móviles. 11. Tenga completo conocimiento del terreno antes de iniciar el trabajo,

teniendo especial cuidado con especial cuidado de los obstáculos. 12. Utilice velocidades adecuadas con las condiciones del terreno 13. Tenga cuidado de efectuar el enganche del tractor. 14. Antes de iniciar el transporte de la grúa observe que no haya personas

o animales próximos a la dirección o recorrido que se quiere recorrer. 15. Nunca intente modificar las condiciones de enganche, limpiar o lubricar la

grúa en movimiento. 16. Apague siempre el motor del tractor antes de descender del Tractor. 17. Opere la grúa solamente con la potencia adecuada del tractor. 18. Nunca utilice la grúa para elevar personas o animales. 19. Toda vez que desenganche la Grúa cerciórese que se encuentre

debidamente apoyado.

IM-2005-II-22 52

TRANSPORTE SOBRE CAMINOS Y CARRETERAS Para el transporte en largas distancias deben tenerse en cuanta las siguientes instrucciones de seguridad:

1. No efectué procedimientos de carga en barrancos, debido a que pueden ocurrir graves accidentes.

2. En caso de levantamiento con la grúa utilice los puntos adecuados para

Enganche

3. Utilice elementos de amarre (Cadenas, sogas, cuerdas, guayas, etc.), en cantidad suficiente para inmovilizar la carga durante el transporte.

4. Verifique las condiciones de carga en los primeros 8 a 10 Kilómetros de

viaje, después cada 80 a 100 Kilómetros verificando los correspondientes amarres

5. Este siempre atento. Tenga cuidado con la altura de transporte,

especialmente sobre redes eléctricas y viaductos.

6. Verifique siempre la legislación vigente sobre los límites de altura y largo de carga.

7. Utilice banderas, luces y reflectores e la noche para alertar a las personas

que transitan en la vía.

IM-2005-II-22 53

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS

ALTURA MAXIMA DE CARGA [m]

CAPACIDAD DE CARGA

[Kg]

ALTURA DEL CHASIS [m]

PESO DE LA GRUA [Kg]

POTENCIA REQUERIDA

[Hp] 3.2 1500 1.5 500 60 - 120

Figura I.1. Isométrico general de la grúa

Figura I.2. Vista lateral de la grúa Figura I.3. Vista frontal de la grúa

IM-2005-II-22 54

MONTAJE 1. Levante el chasis parte (A) y engánchelo al los brazos de levante al

tractor 2. Coloque la corbata en las platinas intermedias de enganche 3. Introduzca las patas de soporte (D) en el chasis parte (A) 4. Levante el brazo telescopico parte (B) y ensámblelo con el pasador al

chasis parte (A) 5. Introduzca el paral parte (E) en el brazo telescopico parte (B) 6. Introduzca el brazo telescopico interno parte (C) en el extremo exterior del

brazo externo parte (B) 7. Asegure el gancho parte (F) al brazo interno parte (C) por medio de su

correspondiente pasador. 8. Acople el cilindro hidráulico en la platinas de soporte 9. Instale las mangueras en la entrada y salida del cilindro utilizando los

correspondientes acoples 10. Instale en los extremos opuestos los acoples rápidos 11. Acople las mangueras en las salidas del sistema hidráulico del tractor. 12. Verifique que todos los pasadores cuentan con sus correspondientes

pines.

Figura I.4. Componentes la grúa

IM-2005-II-22 55

PREPARACIÓN PARA TRABAJO

Las orientaciones que se muestran a continuación deben ser observadas con suma atención para garantizar un mejor desempeño durante el periodo de trabajo. Antes de iniciar las operaciones es conveniente preparar adecuadamente el tractor y el implemento Verifique inicialmente las condiciones generales del tractor y de la grúa

principalmente en cuanto al funcionamiento del sistema hidráulico Verifique que las llantas se encuadran con 75 % del llenado con agua,

también revise que el tractor cuenta con las contrapesas delanteras y los lastres de cada una de las ruedas, para aumentar la estabilidad del conjunto tractor-grúa estando ensamblado.

Verifique las condiciones de apriete de todas las piezas y acoples que

componen el sistema hidráulico de la grúa, para evitar fugas. Coloque los brazos de enganche en posición completamente horizontal

IM-2005-II-22 56

ACOPLE AL TRACTOR

Para enganchar la grúa escoja un terreno completamente plano , para un perfecto acoplamiento de la grúa realice el siguiente procedimiento: Baje por complete los brazos de levante Acople el chasis con los correspondientes pasadores de enganche Asegure la corbata al chasis utilizando únicamente los pasadores

dispuestos para dicha labor.

IM-2005-II-22 57

REGULACIONES DURANTE LA OPERACIÓN Reapreté y verifique las condiciones de todos los pasadores antes de

iniciar el trabajo Reapreté diariamente los elementos roscado durante la primera semana,

después realícelo periódicamente Preste atención a los periodos e intervalos de lubricación

Las velocidades de operación deben ser acordes a las condiciones del

terreno por el cual se transita Es importante no sobrepasar los límites de carga que fueron establecidos

La grúa debe permanecer sobre los párales para facilitar su

reacoplamiento al tractor Mantenga la grúa nivelada tanto en el trasporte como en los periodos de

operación

IM-2005-II-22 58

MANTENIMIENTO Para reducir el desgaste provocado debido al continuo trabajo de las partes móviles del equipo, es necesario proporcionar una correcta lubricación así Cerciórese de la calidad del lubricante en cuanto a pureza, evitando

utilizar productos contaminados con agua Utilice grasa de media consistencia

Introduzca la cantidad suficiente de grasa nueva según se necesite

Lubrique cada 10 horas de trabajo

En periodos en los que no se esta utilizando la grúa lávela y remueva las

impurezas que se pegan durante la operación Retoque la pintura cuando sea necesario.

IM-2005-II-22 59

II. FORMATO CALIFICACION DE DESEMPEÑO

Fecha: Día Mes Año

FORMATO CALIFICACION DE DESEMPEÑO GRUA HIDRAULICA PARA TRACTOR

NOMBRE DEL EVALUADOR

No. CEDULA VARIABLE DE DESEMPEÑO

0 - 10 [min] 10 - 30 [min] 30 - 60 [min] TIEMPO DE ENSAMBLE

Difícil Medianamente Difícil Fácil FACILIDAD DEL

ENSAMBLE

0-500 [kg] 500 -1000 [Kg] 1000 - 1500 [kg] CAPACIDAD DE CARGA

0- 1 [m] 1 -2 [m] 2 - 3.5 [m]

ALTURA DE CARGA 1 2 3 NUMERO DE OPERARIOS

NECESARIOS PARA EL ENSAMBLE

Insegura Medianamente Segura

Completamente segura SEGURIDAD EN LA

OPERACION

Golpea permanentemente

el chasis

En ocasiones Golpea el chasis

La carga permanece balanceada

OSCILACION DE LA CARGA

0 - 10 [min] 10 - 30 [min] 30 - 60 [min] TIEMPO DE

DESENSAMBLE Si Ocasionalmente Nunca

PRESENCIA DE FUGAS

No cumple con las expectativas

EL desempeño es bueno aunque

podría mejorarse

Cumple eficazmente con las expectativas CALIFICACION GLOBAL

Firma Evaluador Firma Responsable

IM-2005-II-22 60

III. PLANO CHASIS

IV. PLANO BRAZO EXTERNO

V. PLANO BRAZO INTERNO

VI. PLANO GANCHO