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Tesis Diseño de un banco de pruebas para la inspeccion de gruas articuladas y cilindros hidraulicos

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  • UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR

    DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES

    COORDINACIN DE INGENIERA MECNICA

    DISEO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA LA INSPECCIN DE GRAS

    ARTICULADAS Y CILINDROS HIDRULICOS

    Por:

    Moiss Jos Artigas Delfn

    INFORME DE PASANTA

    Presentado ante la Ilustre Universidad Simn Bolvar

    como requisito parcial para optar al ttulo de

    Ingeniero Mecnico

    Sartenejas, Enero de 2013

  • UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR

    DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES

    COORDINACIN DE MECNICA

    DISEO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA LA INSPECCIN DE GRAS

    ARTICULADAS Y CILINDROS HIDRULICOS

    Por:

    Moiss Jos Artigas Delfn

    Realizado con la asesora de:

    Tutor Acadmico: Prof. Antonio Vidal

    Tutor Industrial: Ing. Oscar Ibarra

    INFORME DE PASANTA

    Presentado ante la Ilustre Universidad Simn Bolvar

    como requisito parcial para optar al ttulo de

    Ingeniero Mecnico

    Sartenejas, Enero de 2013

  • .

  • iv

    UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR

    COORDINACIN DE INGENIERA MECNICA

    DISEO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA LA INSPECCIN DE GRAS

    ARTICULADAS Y CILINDROS HIDRULICOS

    Informe de Pasanta presentado por Br. Moiss J. Artigas D.

    Bajo la asesora del tutor acadmico: Prof. Antonio Vidal y el tutor industrial: Ing. Oscar Ibarra.

    RESUMEN

    En la empresa Maquinarias Mega, dedicada a la comercializacin y servicio de maquinarias

    pesada en el rea de construccin, minera y manejo de carga, se ha identificado la necesidad de

    incluir un banco de pruebas para la inspeccin de gras articuladas en sus activos fsicos. Este

    banco tendr la finalidad de mejorar los tiempos de entrega de dichas gras mediante la oportuna

    deteccin de sus fallas operativas y, al mismo tiempo, proveer a la empresa de un espacio

    verstil que servir para el adiestramiento de su personal y el marketing de las gras.

    Adicionalmente se ha decidido incorporar en el banco de pruebas, un mdulo para la realizacin

    de pruebas hidrostticas en cilindros hidrulicos. Este banco deber ser capaz de probar

    operativamente a las gras articuladas Palfinger en el rango comprendido desde la PK-4501 hasta

    la PK-32080 y, por otro lado, realizar pruebas hidrostticas a todos los cilindros hidrulicos

    presentes en dicho rango de gras. El banco de pruebas, adems, deber tener la capacidad de

    movilizarse por medio de un montacargas y ser trasladado en la plataforma de un camin Ford F-

    750 propiedad de Maquinarias Mega. Considerando estas restricciones globales del problema de

    diseo, una metodologa fue propuesta para guiar en el proceso creativo y en la toma de

    decisiones. Durante el diseo se consultaron normas nacionales e internaciones que aportaron a la

    seguridad y calidad del producto final. Segn el diseo propuesto, el Banco de Pruebas ser capaz

    de probar operativamente e hidrostticamente a todo el rango de gras y cilindros originalmente

    proyectado. Por otro lado, podr realizar pruebas de carga de hasta 12000 Kg.m. Resultando de

    esta forma en una solucin sencilla y verstil a los problemas detectados en la lnea de

    produccin de gras de Maquinarias Mega.

  • v

    DEDICATORIA

    Para ti madre

    Eres lo ms bello que me ha pasado

    Te amo

  • vi

    AGRADECIMIENTOS

    Dios todopoderoso es el que hace posible todo en esta tierra.

    A mis padres, quienes constantemente me nutren con su amor y valiosa experiencia.

    A mis tres hermanos: Carlos, Isabel y Juan a quienes amo y agradezco por todo lo que me han

    enseado con sus bellos sentimientos.

    A toda mi familia, abuelos, tos y primos, quienes se encargaron de estar cerca a pesar de la

    distancia.

    A todas las personas que me ensearon y ensean tanto, y en especial, a esos profesores que

    dieron un poco ms: Mara Hernndez, Eberto Olmos, Renzo Boccardo y Sergio Daz.

    A mis amigos, ningn xito tiene sentido sin cada uno de ustedes ya que han formado parte

    importante de mi vida.

    A toda la familia de Baja SAE USB, con ustedes viv momentos inolvidables que sin duda

    marcaron un antes y un despus.

    Gracias a todos ustedes. Es un placer para m haber compartido todo este tiempo con cada uno.

  • vii

    NDICE GENERAL

    INTRODUCCIN ...................................................................................................................... 1

    Definicin del Problema ......................................................................................................... 1

    Contexto Empresarial ........................................................................................................... 1

    Planteamiento del Problema ................................................................................................. 2

    Formulacin del Problema .................................................................................................... 6

    Problema ........................................................................................................................... 6

    Objetivo General ..................................................................................................................... 6

    Objetivo General ................................................................................................................... 6

    Objetivos Especficos ........................................................................................................... 6

    Oportunidad visualizada durante el planteamiento del problema .................................... 7

    Alcances ................................................................................................................................... 7

    CAPITULO I: MTODO .......................................................................................................... 8

    1.1 Esquema de diseo ............................................................................................................ 8

    CAPITULO II: MARCO TERICO ..................................................................................... 10

    2.1 Gras articuladas Palfinger ........................................................................................... 10

    2.1.1 Prueba de operatividad .............................................................................................. 11

    2.1.2 Banco de Prueba de gras articuladas ....................................................................... 12

    2.2 Cilindros Hidrulicos ..................................................................................................... 12

    2.2.1 Banco de Prueba para cilindros hidrulicos ............................................................... 13

    2.3 Hidrulica ........................................................................................................................ 14

    2.3.1 Conceptos Bsicos de la Hidrulica .......................................................................... 14

    2.3.1.1 Fluido .................................................................................................................. 14

    2.3.1.2 Presin ................................................................................................................ 15

  • viii

    2.3.1.3 Presin hidrosttica ............................................................................................ 15

    2.3.1.4 Principio de Pascal............................................................................................. 15

    2.3.1.5 Densidad ............................................................................................................. 16

    2.3.1.6 Caudal................................................................................................................. 16

    2.3.1.7 Viscosidad ........................................................................................................... 16

    2.3.1.8 Mdulo de Compresibilidad ............................................................................... 17

    2.3.1.9 Ley de continuidad .............................................................................................. 17

    2.3.1.10 Ecuacin de Bernoulli ...................................................................................... 18

    2.3.1.11 Flujo viscoso en tuberas .................................................................................. 19

    2.3.1.12 Prdidas Menores ............................................................................................. 22

    2.4 Sistemas Hidrulicos de Potencia .................................................................................. 22

    2.4.1 Tanque Hidrulico ..................................................................................................... 23

    2.4.2 Filtros ......................................................................................................................... 24

    2.4.2.1 Nivel de limpieza del fluido hidrulico ............................................................... 25

    2.4.3 Bomba Hidrulica ...................................................................................................... 25

    2.4.3.1 Seleccin de una Bomba Hidrulica .................................................................. 26

    2.4.4 Motor: impulsor de la bomba .................................................................................... 27

    2.4.5 Vlvulas de Control ................................................................................................... 28

    2.4.5.1 Vlvulas de control de presin ........................................................................... 28

    2.4.5.1.1 Vlvulas Limitadoras de Presin ................................................................. 28

    2.4.5.1.2 Vlvulas secuenciales .................................................................................. 29

    2.4.5.2 Vlvulas Direccionales ....................................................................................... 29

    2.4.5.2.1 Distribuidores Hidrulicos ........................................................................... 30

    2.4.5.3 Seleccin de Vlvulas ......................................................................................... 30

  • ix

    2.4.6 Actuadores ................................................................................................................. 31

    2.4.7 Sistema de enfriamiento: Radiador ............................................................................ 31

    2.4.8 Conexiones y otros accesorios hidrulicos ................................................................ 31

    2.4.8.1 Mtodos de conexin .......................................................................................... 32

    2.4.8.1.1 Conexin con avellanado de tuberas .......................................................... 32

    2.4.8.1.2 Conexin por prensado de manguera .......................................................... 32

    2.4.8.2 Otros accesorios ................................................................................................. 33

    2.4.8.2.1 Reductores ................................................................................................... 33

    2.4.8.2.2 Codos ........................................................................................................... 33

    2.4.8.2.3 Tees .............................................................................................................. 34

    2.4.9 Instrumentacin: Manmetro..................................................................................... 34

    2.4.10 Mangueras ................................................................................................................ 35

    2.5 Anlisis Estructural ........................................................................................................ 36

    2.5.1 Mtodo de Elementos Finitos .................................................................................... 36

    CAPITULO III: DISEO ........................................................................................................ 38

    Fase preparatoria .................................................................................................................. 38

    Filosofa del Diseo ............................................................................................................ 39

    Fase conceptual ..................................................................................................................... 40

    Sistema Hidrulico .............................................................................................................. 40

    Requerimientos ............................................................................................................... 40

    Diseo conceptual de los mdulos hidrulicos .............................................................. 44

    Circuito Hidrulico ..................................................................................................... 46

    Mtodo de evaluacin del diseo ................................................................................... 48

    Sistema Estructural ............................................................................................................. 48

  • x

    Requerimientos ............................................................................................................... 49

    Limitaciones de espacio fsico .................................................................................... 49

    Solicitaciones Estructurales ........................................................................................ 50

    Diseo conceptual de la estructura metlica ................................................................. 51

    Desarrollo conceptual del resto del sistema .................................................................. 53

    Mtodo de evaluacin del diseo ................................................................................... 53

    Fase de Detalles ..................................................................................................................... 57

    Sistema Hidrulico .............................................................................................................. 57

    Sistema Estructural ............................................................................................................. 67

    CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ..................................................................... 82

    REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS.................................................................................... 85

    APNDICES ............................................................................................................................. 88

  • xi

    NDICE DE TABLAS

    Tabla 2.1 Rangos de Reynolds para cada tipo de flujo segn [12] ................................................ 20

    Tabla 2.2 Codificacin de las Mangueras segn la SAE: Especificaciones globales .................... 35

    Tabla 2.3 Codificacin de las Mangueras segn la SAE: Especificaciones locales ...................... 35

    Tabla 3.1 Requerimientos de caudal y presin de las gras articuladas Palfinger [9] ................... 40

    Tabla 3.2 Estimacin del caudal para velocidad mxima. ............................................................. 42

    Tabla 3.3 Valores usados para estimar la masa del contrapeso. Las variables M y L son

    proporcionadas por Palfinger ................................................................................................ 51

    Tabla 3.4 Valores importantes usados en la validacin. Los valores fueron tomados del sitio web

    del fabricante. ......................................................................................................................... 56

    Tabla 3.5 Dimensiones de la mangueras para cada modelo de gra articulada [9]. [*] Valores

    vlidos slo para montaje delantero de gra. ........................................................................ 58

    Tabla 3.6 Accesorios propuestos para el circuito hidrulico del banco de pruebas. Las imgenes

    fueron tomadas de las pginas web de los fabricantes. .......................................................... 60

    Tabla 3.7 Tabla de condiciones de estabilidad. Tomado de la norma COVENIN 2145-84. ......... 71

    Tabla 3.8 Valores de las variables usados en el planteamiento del modelo numrico. Nota que el

    valor de Mge esta multiplicado por 1,6 segn COVENIN: ............................................... 72

    Tabla 3.9 Datos del planteamiento del mtodo de elemento finito. ............................................... 74

    Tabla 3.10 Resultados de los ltimos anlisis. Observe que el esfuerzo mximo es menor al Sy

    del material y que los desplazamientos verticales son aceptables en comparacin con la

    prueba de validacin descrita anteriormente. ........................................................................ 76

    Tabla 3.11 Parmetros importantes en la realizacin de la soldadura. ........................................... 78

    Tabla 3.12 Costos a la fecha de los elementos ms importantes del Banco de Prueba .................. 80

    Tabla 3.13 Ahorro estimado anual por concepto de utilizacin del Banco de Pruebas para

    Maquinarias Mega. ................................................................................................................ 80

  • xii

    NDICE DE FIGURAS

    Figura i.1 Departamentos comerciales de Maquinarias Mega ......................................................... 2

    Figura i.2 Ejemplos de Productos Komatsu y Palfinger................................................................... 3

    Figura i.3 Proceso de Compra-Venta de las gras Palfinger en Maquinarias Mega ........................ 4

    Figura 1.1 Mtodo de Diseo usado en proceso de diseo del banco de pruebas. ........................... 9

    Figura 2.1 Lneas de productos manufacturados por Palfinger International. ............................... 10

    Figura 2.2 Partes ms importantes de una gra articulada ............................................................. 11

    Figura 2.3 Grados de libertad de una gra Palfinger estndar ....................................................... 12

    Figura 2.4 Componentes importantes de los Cilindros Hidrulicos [5] ......................................... 13

    Figura 2.5 Presin Hidrosttica [9] ................................................................................................ 15

    Figura 2.6 Ejemplo de la influencia de la viscosidad en la formacin de perfiles de velocidad de

    un fluido. [7] .......................................................................................................................... 17

    Figura 2.7 Ley de continuidad para un volumen de ....................................................................... 18

    Figura 2.8 Patrones de flujo observados por Reynolds segn [10]. ............................................... 20

    Figura 2.9 Diagrama de Moody. Usado para determinar e factor de friccin de Darcy. [13] ........ 21

    Figura 2.10 Sistema de Potencia Hidrulico Bsico ...................................................................... 23

    Figura 2.11 Tanque Hidrulico comn. [16] .................................................................................. 24

    Figura 2.12 Limites de Presin y Caudal para varios tipos de bombas segn [17] ........................ 26

    Figura 2.13 Velocidad especfica para varios tipos de bombas como herramienta en la bsqueda

    de mxima eficiencia en la seleccin de bombas de acuerdo con [17] ................................. 27

    Figura 2.14 Representacin simplificada las vlvulas limitadoras de presin ............................... 29

    Figura 2.15 Vlvula secuencial. ..................................................................................................... 29

    Figura 2.16 Forma de identificacin de las vlvulas direccionales ................................................ 30

    Figura 2.17 Radiador de un sistema hidrulico de gras articuladas Palfinger.............................. 31

    Figura 2.18 Conexin tipo flared [24] ............................................................................................ 32

    Figura 2.19 Conexin por prensado de manguera. ......................................................................... 33

    Figura 2.20 Conexiones reductoras ................................................................................................ 33

    Figura 2.21 Conexin tipo codo ..................................................................................................... 34

    Figura 2.22 Conexin tipo Tee ....................................................................................................... 34

  • xiii

    Figura 2.23 Manmetro hidrulico tipo Bourdon........................................................................... 35

    Figura 3.1 rbol funcional del Banco de Pruebas ......................................................................... 39

    Figura 3.2 Componentes del sistema hidrulico de las gras articuladas Palfinger. 1) Bomba 2)

    Filtro de alta presin 3) Gra 4) Radiador 5) Tanque hidrulico. A) Manguera de succin b)

    Manguera de retorno y c) Manguera de alta presin. [9] ...................................................... 41

    Figura 3.3 Puntos de operacin de las gras Palfinger y de los cilindros hidrulicos en las pruebas

    hidrostticas segn velocidad mxima del vstago de 100mm/s. ......................................... 42

    Figura 3.4 Puntos de operacin de Caudal y Presin del Banco de Pruebas.................................. 43

    Figura 3.5 Circuito hidrulico estndar de las gras Palfinger en el rango desde la PK-4501 hasta

    la PK-32080. [9] ..................................................................................................................... 44

    Figura 3.6 Circuito hidrulico comn en los sistemas diseados para realizar pruebas

    hidrostticas en cilindros hidrulicos. [29] ............................................................................ 45

    Figura 3.7 Circuito hidrulico propuesto para el Banco De Pruebas Para La Inspeccin De

    GrasArticuladas Y Cilindros Hidrulicos. Note que no hay radiador en el circuito, esto es

    porque el modo de operacin del banco de pruebas ser intermitente con grandes periodos

    de parada. ............................................................................................................................... 46

    Figura 3.8 Simbologa estndar de los acoples rpidos a la izquierda, acople rpido comercial a la

    derecha [30] ............................................................................................................................ 47

    Figura 3.9 Ejemplo del uso de lneas hidrulicas [7] ..................................................................... 48

    Figura 3.10 Dimensin limitante de las plataformas del Ford F-750. Foto tomada en las

    instalaciones de Maquinarias Mega. ...................................................................................... 49

    Figura 3.11 Banco de pruebas usado en la lnea de ensamble en Niagara Falls, EE.UU. .............. 50

    Figura 3.12 Diagrama de Cuerpo Libre del problema fsico plateado. En l se pueden ver dos

    cargas msicas, una corresponde al componente msico que hace de contrapeso y el otro al

    que ejerce la carga de volcadura. ........................................................................................... 50

    Figura 3.13 Propuesta de estabilizadores retrctiles....................................................................... 52

    Figura 3.14 Propuesta de mecanismo de ajuste vertical para asegurar contacto con el suelo. ....... 53

    Figura 3.15 Planteamiento del procedimiento de validacin de planteamiento. Observe cmo

    elapoyo de la viga estabilizadora de la derecha de la gra se levanta verticalmente cuando la

    gra est levantando carga. .................................................................................................... 54

  • xiv

    Figura 3.16 Modelo numrico de la validacin. En ella se pueden ver cinco cargas

    correspondientes a: A y B) Distribucin de masa en el eje delantero/trasero. C y D) masa de

    la gra, una representa los elementos que hacen de contrapeso y los elementos extendidos y

    E) Carga levantada................................................................................................................. 55

    Figura 3.17 Resultados de la Validacin de procedimiento. .......................................................... 56

    Figura 3.18 Validacin de malla. Observe cmo el valor se acerca al emprico. .......................... 57

    Figura 3.19 Divisin de rangos de operacin para cada sector del circuito hidrulico. Los

    coloresidentifican las condiciones de caudal y presin que estarn presentes en cada seccin

    del circuito. ......................................................................................................................... 58

    Figura 3.20 Lneas de presin del circuito hidrulico del banco de prueba para un punto de

    operacin seleccionado. Presin en bar. Algunos accesorios que representan pequeas cadas

    de presin no se muestran en el diagrama. Note cmo los valores de presin estn dentro de

    los parmetros indicados por cada fabricante. ....................................................................... 67

    Figura 3.21 Geometria caracterstica de los perfiles IPE. .............................................................. 68

    Figura 3.22 Algunos planos de instalacin de las gras articuladas Palfinger. Note que van

    apernadas. .............................................................................................................................. 69

    Figura 3.23 Ensamblaje de una gra PK 23500 con el banco de prueba. Note que la gras

    disponen de rangos para apernarlas a las respectivas bases. ................................................. 69

    Figura 3.24 Croquis de la estructura metlica en forma de mesa. .................................................. 70

    Figura 3.25 Diagrama de cuerpo libre del banco de prueba usando las condiciones de estabilidad

    de la Tabla 3.7. ...................................................................................................................... 71

    Figura 3.26 Interfaz grfica del modelo numrico del banco de pruebas. ..................................... 72

    Figura 3.27 Demostracin del lado bueno y el lado malo del banco de pruebas respecta a la

    estabilidad. ............................................................................................................................. 73

    Figura 3.28 Rango de 90 en donde se probara la propuesta estructural del banco de prueba. ..... 73

    Figura 3.29 Variacin angular del esfuerzo mximo en el rango de 30-65. El resto del rango no

    se muestra debido a que los esfuerzos son mucho menores. ................................................. 74

    Figura 3.30 Variacin angular del desplazamiento vertical de los apoyos del banco de pruebas

    con el suelo. ........................................................................................................................... 75

    Figura 3.31 Anlisis final: Esfuerzo mximo, carga ubicada a 37 ............................................... 76

  • xv

    Figura 3.32 Anlisis final: Desplazamiento mximo, carga ubicada a 0. Escala aumentada 100

    veces. ..................................................................................................................................... 76

    Figura 3.33 Solicitacin de reacciones del contacto lineal entre los elementos pintados en verde.

    Abajo a la izquierda las reacciones de momento y a la derecha de fuerza. ............................ 77

    Figura 3.34 Clculo estructural del cordn de soldadura ms solicitado. Observe que el esfuerzo

    mximo es de 236 MPa, y el Sy admisible para este trabajo es de 240 MPa. ........................ 78

    Figura 3.35 Estudio de convergencia de esfuerzos del modelo numrico del banco de pruebas. .. 79

    Figura 3.36 Aspecto final del Banco de pruebas para la inspeccin de gras articuladas y

    cilindros hidrulicos. ............................................................................................................. 81

  • xvi

    SMBOLOS

    P: Presin K: Factor de prdidas en los accesorio

    : Densidad hm: Perdidas de energa hidrulica menores

    (accesorios)

    g: Constante gravitatoria htot: Prdidas de energa hidrulicas totales

    h: Altura de la columna de agua x: ndice beta. Indica el desempeo de un

    filtro hidrulico

    F: Fuerza %: Eficiencia de un filtro hidrulico

    A: rea fext: Vector de fuerzas externas

    M: Masa fint: Vector de fuerzas internas

    V: Volumen : Vector aceleracin de una partcula

    Q: Caudal G: Vector de fuerza residual

    t: Tiempo i: Dimetro Interno del Cilindro

    v Velocidad v: Dimetro del vstago

    : Esfuerzo cortante Pot: Potencia Elctrica

    : Viscosidad dinmica D: Desplazamiento de la bomba de pistn

    y: Altura del perfil de velocidad de flujo Rt: Relacin de transmisin Motor/Bomba

    u: Velocidad longitudinal del flujo : Velocidad de giro del motor

    Ev: Mdulo de compresibilidad : Esfuerzo normal

    z: Altura referencial del volumen de

    control de una lnea de corriente Ft: Fuerza a traccin de la roca

    hf: Prdidas de energa viscosa #P: Paso de la rosca

    f: Coeficiente de friccin de Darcy Dext: Dimetro externo de la rosca

    L: Longitud de seccin de tubera Dint: Dimetro interno de la rosca

    d: Dimetro de tubera

    Re: Nmero de Reynolds

    : Rugosidad promedio de las tuberas

  • 1

    I. INTRODUCCIN

    Definicin del Problema

    Contexto Empresarial

    El Grupo Alpha es actualmente un conglomerado de empresas venezolanas que inicia su

    trayectoria en el ao 1986 cuando se fund: Equipos y Sistemas Hidrocaven C.A. Empresa que

    comienza en la cuidad de Margarita y que, gracias a su gerencia y a la reinversin de las

    utilidades, ha permitido establecer progresivamente el resto de las ocho empresas que

    actualmente conforman el grupo. Un resumen de estas es presentado a continuacin:

    1. Equipos y Sistemas Hidrocaven C.A.: Se encarga de la ejecucin de proyectos referentes al

    tratamiento, manejo, bombeo de aguas y saneamiento ambiental. Su sede principal se

    encuentra en Caracas, y cuenta con sucursales en la Isla de Margarita y Puerto Ordaz.

    2. Suministros Industriales Delta C.A.: Esta empresa se enfoca en la manufactura nacional y

    venta al mayor de cables y luminarias. Su sede principal se encuentra en Guarenas, Edo

    Miranda.

    3. Distribuidora Nacional de Motores C.A. (Dinamo): Su objetivo es el de satisfacer el mercado

    de motores e insumos industriales. Su sede se encuentra en Carabobo y su principal producto

    son las plantas elctricas.

    4. Servidinamo C.A.: Surge de la necesidad de los clientes de Dinamo de recibir servicios de

    instalacin, reparacin y servicio tcnico de los motores vendidos.

    5. Sigma Industrial: Esta empresa se encarga de brindar servicio completo de suministro,

    instalacin, y reparacin de grupos electrgenos, conductores, sistemas de bombeo, motores

    elctricos, reductores y motores reductores. Est situada en Santiago de Chile, con sucursal en

    Miami, Estados Unidos.

    6. Suministros Kappa C.A.: Su funcin principal es abastecer de materiales elctricos y

    mecnicos a los mercados regionales del oriente de Venezuela. Su sede se encuentra en el

    estado Nueva Esparta.

    7. Internacional de Generacin Electromecnica S.L. (Ingelec): Esta empresa suministra

    generadores elctricos, que van desde los residenciales hasta los empleados a nivel industrial.

    Se encuentra ubicada en Sevilla, Espaa.

  • 2

    8. Maquinarias Mega C.A.: Maquinarias Mega es una empresa dedicada al suministro de

    soluciones en maquinaria pesada y equipos para el manejo de carga. Cuenta con tres

    sucursales ubicadas en el territorio nacional (Guarenas, Puerto Ordaz y Valencia), en donde

    se realizan las logsticas de almacenamiento, venta, distribucin y servicios post-venta de

    todas sus lneas comerciales.

    Planteamiento del Problema

    El presente trabajo de grado fue desarrollado en la empresa Maquinarias Mega C.A. por lo que

    a continuacin se explicaran aspectos de su estructura interna y algunos de sus procedimientos de

    trabajo.

    El mercado de Maquinarias Mega comprende principalmente los sectores de Minera,

    Construccin y Manejo de Carga. En la Figura i.1 estn representados sus distintos

    departamentos comerciales junto con sus actuales divisiones.

    Maquinarias Mega

    Minera

    Construccin

    Manejo de

    Carga

    Venta

    Post Venta y

    Servicio

    Venta

    Post Venta y

    ServicioVenta

    Post Venta y Servicio

    Figura i.1 Departamentos comerciales de Maquinarias Mega

    El organigrama muestra que cada departamento tiene procesos similares de venta, post venta y

    servicio, a pesar de las grandes diferencias existentes en cada una de ellas debido a sus

    aplicaciones, requerimientos y marcas de sus productos involucrados.

    En cuanto a las marcas, Maquinarias Mega es el representante oficial en Venezuela de Komatsu

    (presente en el rea de minera, construccin y manejo de carga) as como tambin representa a la

    marca de gras Palfinger (manejo de carga). La Figura i.2 muestra un ejemplo de los productos

  • 3

    de Komatsu y de Palfinger ubicados en cada uno de los departamentos comerciales de la

    empresa.

    Maquinarias Mega

    Minera

    Construccin

    Manejo de

    Carga

    Komatsu PC450lc-8 Komatsu 730E Komatsu fd30t-17 Palfinger PK53002-5H

    Figura i.2 Ejemplos de Productos Komatsu y Palfinger

    De la gama de productos de la empresa Maquinarias Mega, el presente trabajo se centrar en las

    gras articuladas Palfinger, debido a que en ella se han identificado oportunidades de mejora

    relacionadas con su lnea de produccin.

    Para que una gra Palfinger pueda ser preparada y entregada a los clientes, la empresa

    Maquinarias Mega tiene actualmente definidos una serie de pasos que estn ilustrados en la

    Figura i.3. Estos pasos van desde la compra e importacin de la gra, continua con el proceso de

    negociacin e instalacin de los sistemas, revisiones, facturacin y entrega tcnica.

  • 4

    Compra a Fabricante de gras (Palfinger)

    Importacin de las

    gras

    Almacenamiento

    Negociacin

    Est la gra

    en el inventario?

    No

    Si

    El Cliente

    tiene el camin?

    SiNo

    Procura del

    camin

    Recepcin del

    camin

    Instalacin EstructuralInstalacin MecnicaInstalacin HidrulicaInstalacin ElctricaInstalacin de la gra

    Prueba de Operatividad (Sin Carga)

    Prueba de carga mximaPrueba de estabilidad

    Control de calidad

    Revisin de detalles

    constructivos y estticos

    Desempeo satisfactorio?

    No

    Si

    Desempeo satisfactorio?

    No

    Entrega Tcnica y

    Facturacin

    Si

    Figura i.3 Proceso de Compra-Venta de las gras Palfinger en Maquinarias Mega

    Analizando el flujograma de actividades de compra venta, se detectan tres procesos que

    pudieran generar demoras en los tiempos de ejecucin de la venta de gras Palfinger: 1) no contar

    con las gras suficientes en el inventario para responder oportunamente al mercado, 2) no superar

    satisfactoriamente las pruebas de operatividad, carga mxima y estabilidad y 3) no pasar el

    control de calidad en donde se inspeccionan los detalles constructivos, hidrulicos, de seguridad y

    estticos.

  • 5

    A continuacin se presenta una descripcin de las ms frecuentes causas de cada uno de estos

    potenciales problemas que se presentan en la divisin de Manejo de Carga de Maquinarias Mega.

    El potencial retraso ocasionado por la ausencia de inventario se corrige con una buena y

    oportuna planificacin de la gerencia encargada Por otro lado, aprobar el control de calidad

    depende, principalmente, del proceso de instalacin de las gras llevado a cabo por los tcnicos

    capacitados, as como tambin, de un buen seguimiento de este proceso por parte de los

    supervisores responsables.

    Las oportunidades de mejora en cuanto a la prueba de mxima carga vienen asociadas al

    correcto dimensionamientos del sistema hidrulico, mecnico y electrnico instalado en el

    camin. Por otra parte, la prueba de estabilidad del conjunto gra-camin puede verse

    comprometida principalmente si el personal encargado del proceso de instalacin no sigue las

    recomendaciones del fabricante Palfinger. Este ltimo tiene estandarizado las combinaciones de

    gra-camin permitidas.

    Por ltimo queda la prueba de operatividad, que consiste en verificar que la gra pueda

    desplegarse sin roces internos, daos ocultos, obstrucciones mecnicas, as como tambin

    verificar empricamente que la cinemtica de las articulaciones de la gra sean las que estn

    indicadas en los catlogos para cada modelo. Estos desperfectos pueden llegar a pasar gracias a

    los eventuales daos sufridos por la gra debido al proceso de transporte e importacin o defectos

    de fbrica.

    Luego del anlisis de los procesos es fcil concluir que: de todos los posibles retrasos que

    actualmente amenazan a la lnea de produccin del departamento de manejo de carga de la

    empresa Maquinarias Mega, el que concierne a la prueba de operatividad es el que realmente

    escapa de las manos de cualquier esfuerzo en cuanto a su prevencin, ya que tanto el proceso de

    manufactura, transporte e importacin es realizado por terceros.

    Aunado a esto, la imposibilidad fsica actual de ubicar y corregir este tipo de fallas antes de

    emprender el proceso de instalacin definitiva de cualquier gra, implica que, si una gra trae

    este tipo de daos ocultos, la inversin de tiempo necesario para la correccin del mismo incidir

    notablemente en el desempeo completo del proceso de ventas de gras Palfinger.

  • 6

    Formulacin del Problema

    Expuesto lo anterior se puede formular el siguiente Problema de la siguiente forma: Qu

    cambios en el actual esquema de trabajo de la divisin de manejo de carga de la empresa

    Maquinarias Mega se pueden plantear para agilizar el proceso de compra-venta de las

    gras Palfinger, en relacin a la prueba de operatividad?

    Debido a que el tipo de fallas relacionadas con la operatividad de las gras son ocasionadas por

    terceros, slo queda de parte de la empresa Maquinarias Mega desarrollar un procedimiento de

    deteccin oportuna de las mismas, preferiblemente previo al proceso de ventas de las gras ya

    que, si existiese dicha falla, el tiempo de entrega del conjunto camin-gra no se vea afectado

    segn puede apreciarse en la Figura i.3.

    Objetivo General

    Todo lo previamente expuesto conlleva al siguiente Objetivo General de este trabajo de grado:

    Disear un banco de pruebas en el que se pueda diagnosticar oportunamente las fallas

    relacionadas con la operatividad de las gras articuladas Palfinger, e integrar este

    procedimiento al esquema de trabajo del proceso de compra-venta de la divisin manejo de

    carga de la empresa Maquinarias Mega.

    Dicho objetivo general ser llevado a cabo mediante la realizacin de los siguientes Objetivos

    Especficos:

    a. Describir la prueba de operatividad de las gras Palfinger.

    b. Establecimiento de un mtodo y filosofa de diseo del banco de pruebas.

    c. Establecimiento de un marco terico referencial.

    d. Diseo del Banco de Pruebas.

    e. Realizacin de planos y lista de materiales de piezas a fabricar.

    f. Elaboracin de una lista de componentes de partes a comprar.

    g. Estimacin econmica del costo total.

  • 7

    Oportunidad visualizada durante el planteamiento del problema

    En vista de la necesidad de incorporar un banco de pruebas con la finalidad de mejorar el

    proceso de compra-venta de la divisin de Manejo de Carga de la empresa Maquinarias Mega, se

    ve la oportunidad de anexarle a ste un mdulo para la realizacin de pruebas hidrostticas de

    cilindros hidrulicos, debido a la similitud del espacio fsico y los elementos hidrulicos que

    requieren aproximadamente, un banco de pruebas de gras articuladas y uno de cilindros

    hidrulicos por separado.

    Por otro lado, contar con un banco de pruebas en el que sea posible una rpida y sencilla

    instalacin de las gras articuladas, permite de dictar cursos de adiestramientos al personal

    tcnico, as como tambin, ejercer funciones de marketing en exhibiciones de maquinaria pesada

    con los potenciales clientes.

    Alcances

    La directiva de Maquinarias Mega ha solicitado que el banco de pruebas a disear debe

    contemplar el rango de gras comprendidas entre las PK-4501 y la PK-32080, as como tambin,

    todos los cilindros hidrulicos que estn presentes en ellas.

  • 8

    1) CAPITULO I

    MTODO

    Muchos autores han definido la palabra diseo desde un punto de vista muy particular y

    especfico, sin embargo a pesar de esto, comparten muchas caractersticas comunes. Renzo

    Boccardo en [1] opina que El diseo es aquella actividad proyectual que da origen a los objetos,

    productos o procesos que responden, de alguna manera, a necesidades diversas planteadas por el

    hombre.

    Y como toda actividad proyectual requiere de planificacin, entonces es de esperarse que el

    Diseo no sea la excepcin. De hecho, un buen nmeros de mtodos de diseo han sido

    desarrollados por diversos autores que, dependiendo de la naturaleza del problema y de la

    experiencia del diseador, pueden llegar a ser hasta personalizados.

    Seguir un mtodo de diseo no asegura la obtencin de la mejor solucin, pero si permite al

    diseador construir una propuesta de una forma coherente y concreta, minimizando la cantidad de

    errores e inversin de tiempo producto de la inexperiencia en el rea.

    El mtodo de diseo usado en el presente trabajo es una mezcla del captulo 6 de [1]:

    Propuesta de una metodologa para el diseo de mquinas y de la experiencia obtenida por el

    autor de este trabajo de grado en proyectos de diseo desarrollados en la Universidad Simn

    Bolvar.

    1.1 Esquema de diseo

    El mtodo de diseo usado consiste en tres grandes pasos: La fase de preparacin, la fase

    conceptual y la fase de detalles. Cada una de las fases comprende etapas de documentacin, de

    creatividad y/o analticas

    Algunos de los pasos intermedios pueden obviarse dependiente del grado de incertidumbre del

    problema enfrentado. Los procesos internos que implica la realizacin de cada fase son

    desarrollados y explicados en [1].

  • 9

    La Figura 1.1 ilustra esquemticamente el mtodo de diseo del presente trabajo.

    Mtodo de Diseo

    Definicin de la necesidad y de las circunstancias del cliente.

    Definicin del problema

    Definicin de los globales

    Investigacin terica preliminar

    Establecimiento de las funciones principales y secundarias

    Establecimiento de la Filosofa de Diseo

    Fas

    e P

    repa

    rato

    ria

    Divisin Modular funcional (mdulos principales y secundarios)

    Planteamiento del modelo de evaluacin del diseo

    Desarrollo conceptual del resto del sistema

    Fas

    e C

    once

    ptu

    al

    Investigacin terica especfica

    Diseo conceptual de los mdulos principales

    Diseo de detalles

    Fas

    e d

    e D

    etal

    les

    Definicin de requerimientos especificos

    Desarrollo conceptual del resto del sistema

    Planteamiento del modelo de evaluacindel diseo

    Definicin de los objetivos globalesDefinicin de los requerimientos globales

    Figura 1.1 Mtodo de Diseo usado en proceso de diseo del banco de pruebas.

  • 10

    2) CAPITULO II

    MARCO TERICO

    En este captulo se hace una recopilacin del marco de referencia que sent las bases para la

    toma de decisiones del proceso de diseo. Los temas aqu son abordados de manera general; si se

    requiere informacin ms detallada, se recomienda consultar la bibliografa.

    Este marco terico est organizado de la siguiente manera:

    Fundamentos generales: Gras Palfinger y Cilindros Hidrulicos

    Fundamentos generales: Hidrulica

    Fundamentos generales: Anlisis Estructural mediante el mtodo de elementos finitos

    2.1 Las gras articuladas Palfinger

    Palfinger es primordialmente un fabricante internacional de soluciones hidrulicas de

    manipulacin y levantamiento de carga fundada en Austria en el ao 1932 que, actualmente,

    cuenta con una amplia gama de productos que van desde sencillas compuertas de levantamiento,

    hasta innovadoras gras de pedestal para plataformas marinas. La Figura 2.1 resume algunos de

    los productos con lo que actualmente cuenta Palfinger en sus lneas de produccin.

    Gras Articuladas Gras MarinasEquipos Forestales

    Unidades de Inspeccin de Puentes

    Accesorios hidraulicosPuertas Elevadoras Porta Container

    Montacargas porttiles

    Levantamiento de personas en servicios de Alta Tensin

    Plataformas mviles

    Gras de servicio general

    Gras en plataformas marinas para generacin de energa

    elica

    Figura 2.1 Lneas de productos manufacturados por Palfinger International.

  • 11

    Las gras articuladas son un tipo de gras capaces de cambiar el ngulo entre sus plumas

    mediante la extensin/retraccin de algunos actuadores hidrulicos. Estas gras son preferidas en

    sitios con espacios reducidos por su capacidad de retraerse en una forma compacta para su

    transporte. La Figura 2.2 ilustra las partes ms importantes de dicha gra.

    Figura 2.2 Partes ms importantes de una gra articulada

    2.1.1 La prueba de operatividad de las gras articuladas Palfinger

    La prueba de operatividad consiste en verificar empricamente, y de manera controlada, la

    capacidad de algn equipo de llevar a cabo su funcin. En el caso particular de las gras

    articuladas Palfinger, en la empresa Maquinarias Mega, esta prueba se hace sin carga e involucra

    la revisin de fugas y desperfectos mecnicos en las articulaciones y cualquier elemento que

    atente en contra de las normas de seguridad sugeridas por el fabricante.

    Algunos movimientos tpicos a verificar en una gra Palfinger estn representados en la Figura

    2.3

  • 12

    Figura 2.3 Grados de libertad de una gra Palfinger estndar

    2.1.2 Banco de Prueba para gras Palfinger

    Un banco de pruebas para gras articuladas Palfinger es un equipo diseado para verificar los

    aspectos de funcionamiento y de seguridad en las gras; el cual est compuesto de los elementos

    suficientes para permitir su rpida y completa instalacin. [2]

    Los ms comunes tipos de banco de pruebas son [3]:

    a. Flotante: El cual no se encuentra fijo al piso pero tiene un contrapeso grande, usualmente

    diseado para pruebas de carga en gras hasta de 25.000 Kg.m y para pruebas de funciones

    de gras de hasta 40.000 Kg.m.

    b. Estacionario: Este se encuentra fijo (mediante pernos) a unos grandes cimientos en el piso y

    puede ser diseado para pruebas de carga de gras hasta de 60.000-70.000 Kg.m. y para

    pruebas de funciones de gras hasta de 100.000 Kg.m.

    2.2 Cilindros Hidrulicos

    Un cilindro hidrulico, de acuerdo con [4], es un actuador lineal encargado de transformar

    potencia hidrulica en potencia mecnica a travs del desarrollo de un movimiento lineal debido

    a la aplicacin de un fluido a presin en la superficie de un pistn mvil.

    La Figura 2.4 muestra las partes bsicas de un cilindro hidrulico.

  • 13

    Figura 2.4 Componentes importantes de los Cilindros Hidrulicos [5]

    Actualmente existen muchos tipos de clasificaciones para los cilindros hidrulicos, algunos de

    estos son: segn su tipo de puertos, segn el nmero de puertos, tipo de cabezal, nmero de

    vstagos, tipos de cilindros, entre otros.

    Los Cilindros considerados para el diseo del banco de pruebas para gras articuladas y

    cilindros hidrulicos del presente trabajo son del tipo: doble efecto (dos puertos de presin) de un

    vstago, similar al de la Figura 2.4. Para ms informacin bibliogrfica del tema se puede

    consultar [6].

    2.2.1 Banco de Prueba para cilindros hidrulicos

    Un banco de pruebas para cilindros hidrulicos es una plataforma que permite la

    experimentacin rigurosa, transparente y repetible de los actuadores hidrulicos bajo condiciones

    controladas.

    Dependiendo de la necesidad, estos bancos de prueba pueden ser:

    Correspondiente a la integridad mecnica: Pandeo en los vstagos o cilindros, resistencia de cabezales, resistencia a impactos, etc.

    Correspondiente al funcionamiento hidrulico: Fugas internas o externas, flujo en los puertos y/o conductos internos, reaccin ante presin oscilante, entre otros.

    Otros bancos de pruebas: verificacin de ruidos, verificacin de amortiguadores y/o resortes internos, etc.

  • 14

    2.3 Hidrulica

    La Hidrulica es una de las ramas de la ingeniera y de la ciencia aplicada que se dedica al

    estudio del comportamiento de los fluidos en movimiento y en reposo. Esta incluye el uso de

    fluidos bajo presin para la generacin, control y transmisin de potencia.

    Etimolgicamente la palabra hidrulica proviene del griego y es el producto de la unin entre

    hidra=agua y de aulos=flauta/tubo. Esta rama de la ciencia prctica naci gracias a la gran

    limitacin que presentaron las teoras de la mecnica de fluidos desarrolladas durante los siglos

    XVII y XVIII, las cuales basaron sus hiptesis en base a un fluido perfecto y sin friccin.

    DAlembert fue uno de los que us las ecuaciones desarrolladas por Bernoulli para mostrar su

    famosa paradoja: Un cuerpo sumergido ante una corriente de fluido perfecto o sin friccin

    experimenta una fuerza de arrastre igual a cero, lo cual no corresponde con las observaciones

    prcticas.

    Es por ello que ingenieros y cientficos como Chzy, Pilot, Borda, Weber, Darcy entre otros se

    enfocaron en resolver los problemas de flujo de fluidos desde un punto de vista netamente

    prctico. Generando as datos de gran variedad de flujos tales como: flujo en canales abiertos,

    resistencia hidrodinmica en barcos, flujo en tuberas, turbinas hidrulicas, entre otros.

    En vista de esta divisin y a pesar de que desde finales del siglo XIX se han hecho esfuerzos

    por unificar la terica Mecnica de los Fluidos con la prctica Hidrulica, en base a teoras y

    leyes tales como el estudio dimensional, las ecuaciones de Navier-Stokes y la teora de la capa

    lmite, los resultados prcticos desarrollados por la experimentacin siguen an siendo

    ampliamente usados en la resolucin de problemas que involucren el flujo de fluidos. [7]

    2.3.1 Conceptos Bsicos de la Hidrulica

    2.3.1.1 Fluido

    En fsica, un fluido es una sustancia que, bajo la aplicacin de un esfuerzo tangencial, se

    deforma continuamente. Cualquier esfuerzo cortante aplicado en a algn fluido, no importa lo

    pequeo que sea, resultara en un movimiento del mismo. El trmino fluido incluye las fases de

    lquido y gas, a pesar de las diferencias en cuanto a sus ordenamientos moleculares.

  • 15

    2.3.1.2 Presin

    La presin es una magnitud fsica escalar que mide la fuerza en direccin perpendicular por

    unidad de superficie, y sirve para caracterizar cmo se aplica una determinada fuerza resultante

    sobre una superficie.

    En el Sistema Internacional la presin se mide en una unidad derivada que se denomina pascal

    (Pa) que es equivalente a una fuerza total de un newton actuando uniformemente en un metro

    cuadrado. En el Sistema Ingls la presin se mide en libra por pulgada cuadrada, pound per

    square inch o psi por sus siglas en ingls, que es equivalente a una fuerza total de una libra

    actuando en una pulgada cuadrada. [8]

    2.3.1.3 Presin hidrosttica

    La presin hidrosttica es la presin en una columna de lquido debida al peso de fluido sobre

    una superficie. La presin hidrosttica slo depende de la altura de la columna del lquido y de la

    densidad del mismo [9]. Como puede apreciarse en la Figura 2.5, la forma de la columna no es

    importante.

    Figura 2.5 Presin Hidrosttica [9]

    2-1

    Su unidad en el SI (Sistema Internacional de Unidades) es el Pascal (Pa) que es equivalente a

    una fuerza total de un newton actuando uniformemente en un metro cuadrado (N/m2 o kg/(ms2))

    2.3.1.4 Principio de Pascal.

    En los fluidos se transmiten presiones, a diferencia de lo que ocurre en los slidos, que

    transmiten fuerzas. Este comportamiento fue descubierto por el fsico Blaise Pascal (1623-1662),

    quien estableci el siguiente principio: Un cambio de presin aplicado a un fluido en reposo

  • 16

    dentro de un recipiente, se transmite sin alteracin a travs de todo el fluido. Es igual en todas

    las direcciones y acta mediante fuerzas perpendiculares a las paredes que lo contienen.

    Esta ley queda representada matemticamente de la siguiente forma:

    2-2

    Es importante destacar que para efectos del clculo de sistemas hidrulicos de potencia slo se

    considera la presin debida a fuerzas externas, ya que la magnitud de la presin hidrosttica del

    lquido es despreciable cuando las presiones de trabajo son muy altas. Como es el caso de los

    sistemas de esta naturaleza. [9]

    2.3.1.5 Densidad

    La densidad de un fluido es designada con la letra griega (rho), y es definida como la masa

    por unidad de volumen. En el SI p tiene unidades de Kg/m3. [10]

    Matemticamente se expresa de la siguiente forma:

    2-3

    2.3.1.6 Caudal

    En fsica e ingeniera se entiende por el flujo volumtrico, gasto o caudal al volumen del fluido

    que pasa a travs del rea transversal de un conducto por unidad de tiempo. Su unidad de

    medicin en el SI es el m3/s (metro cbico por segundo) [11]. Matemticamente se representa de

    la siguiente forma:

    2-4

    2.3.1.7 Viscosidad

    La viscosidad de un fluido puede definirse desde un punto de vista prctico, como la resistencia

    del mismo a fluir, y es por tanto, una medida de su rozamiento interno. Mientras menor sea este

    rozamiento, ms fcilmente fluir y por lo tanto la viscosidad ser menor. Una definicin formal

    es presentada por [10], quien explica que: La viscosidad dinmica es una propiedad de los

    fluidos que relaciona el esfuerzo cortante con su movimiento. La Figura 2.6 ilustra esta

    definicin:

  • 17

    Figura 2.6 Ejemplo de la influencia de la viscosidad en la

    formacin de perfiles de velocidad de un fluido. [7]

    . 2-5

    En unidades en el SI, la viscosidad se expresa en [Pa.s] = [kg.m-1.s-1].

    2.3.1.8 Mdulo de Compresibilidad

    La propiedad que se encarga de indicar la dificultad con la que un fluido puede cambiar su

    volumen cuando est presente ante un cambio de presin es llamada Mdulo de Compresibilidad

    [10] y su expresin matemtica es:

    2-6

    Donde dP es la diferencia de presin necesaria para cambiar un diferencial de volumen dv, de

    un volumen V. El signo negativo demuestra que un aumento en la presin significara un

    decremento en el volumen. La unidad de este mdulo en el SI es N/m2 (Pa).

    Como ejemplo, a presin atmosfrica y temperatura de 16C se necesita una presin de

    21.5MPa para comprimir en 1% el volumen del agua. Es por ello que para efectos de este informe

    se consideraran todos los fluidos como incompresibles a menos que se indique explcitamente lo

    contrario.

    2.3.1.9 Ley de continuidad

    La referencia [7] explica, mediante el desarrollo del teorema de transporte de Reynolds y la ley

    de conservacin de la masa de la fsica clsica que, para volmenes de control indeformables, en

    rgimen estable, con entradas y salidas unidimensionales se tiene que:

  • 18

    Figura 2.7 Ley de continuidad para un volumen de

    control [7]

    2-7

    Y como los fluidos de trabajos en el presente trabajo se considerarn incompresibles, como

    explica la seccin 2.3.1.8 Mdulo de Compresibilidad, se tiene que:

    2-8

    O lo que es equivalente a:

    2-9

    2.3.1.10 Ecuacin de Bernoulli

    El autor de la bibliografa [10] desarrolla matemticamente la ecuacin publicada en 1738 por

    Daniel Bernoulli, a travs de la aplicacin de las leyes de Newton a una partcula de fluido que

    fluye en una lnea de corriente, considerando un flujo no viscoso y permanente.

    El resultado de este desarrollo puede verse en la Ecuacin 2-10

    2-10

    Cabe destacar que se puede corregir esta ecuacin mediante la inclusin de factores empricos

    que consideren los efectos de viscosidad de los fluidos. Estos factores se expondrn a

    continuacin.

  • 19

    2.3.1.11 Flujo viscoso en tuberas

    Si un fluido no tiene viscosidad fluira por un tubo horizontal sin necesidad de aplicar alguna

    fuerza, i.e. su cantidad de movimiento sera constante. En un fluido real, sin embargo, para

    mantener un caudal de fluido estable debe mantenerse una diferencia de presiones entre los

    extremos de la tubera. He aqu la importancia de abordar este tema.

    Sin embargo, debido a la gran dificultad que ha presentado darle un tratamiento terico riguroso

    a dicho problema, muchos cientficos han optado por el camino de la experimentacin. Un

    ejemplo de ello fue el francs Henry Darcy (1803-1858), quien llevo a cabo una serie de

    experimentos para caracterizar el comportamiento de los fluidos en tuberas. Resultados estos que

    fueron luego mezclados con desarrollos tericos para dar as con los modelos matemticos

    precisos con los que se cuenta actualmente.

    La bibliografa [7] expone parte de este desarrollo: Aplicando Bernoulli y conservacin de

    momentum lineal a una tubera con un flujo viscoso cualquiera, se puede relacionar el trmino de

    prdida de energa debido a la friccin interna (llamado ), con el esfuerzo viscoso producto de

    los roces internos. Para luego, mediante el anlisis dimensional, llegar a la imprtate expresin

    llamada La ecuacin de Darcy-Weisbach. Las ecuaciones 2-11 y 2-12 ilustran lo antes

    expuesto:

    2-11

    Donde se conoce como la ecuacin de Darcy-Weisbach y se define como:

    2-12

    La variable es una constante adimensional llamada coeficiente de friccin de Darcy o

    Factor de friccin de Fanning que depende de la geometra y caractersticas superficiales de la

    tubera, as como de la velocidad, viscosidad dinmica y densidad del flujo. [7]

    Para evaluar el coeficiente de friccin de Darcy es necesario primero comprender los regmenes

    de flujo observados por el britnico Osborne Reynolds (1842 1912) quien probo con un sencillo

    experimento que, para una combinacin especial de dimetros, tipos de tuberas, tipos de fluidos

    y velocidades de flujo, el patrn de la corriente puede cambiar, as como tambin las magnitudes

    de las prdidas por friccin.

  • 20

    La Figura 2.8 ilustra los tres principales regmenes de flujo observados por Reynolds. Para ms

    informacin se puede consultar con [10] y [7].

    Figura 2.8 Patrones de flujo observados por Reynolds segn [10].

    La variable adimensional que incluye a todos los factores importantes en la imposicin de un

    tipo de rgimen de flujo en un sistema cualquiera es el nmero de Reynolds. La bibliografa [7]

    muestra los rangos frontera entre cada rgimen y estn expuestas en la Tabla 2.1. La ecuacin 2-

    13 muestra la definicin del nmero de Reynolds.

    2-13

    Tabla 2.1 Rangos de Reynolds para cada tipo de flujo segn [12]

    Tipo de Flujo Nmero de Reynolds

    Laminar Re 2000

    Zona critica de transicin 2000 < Re > 4000

    Turbulento Re 4000

    Retomando el problema de calcular las prdidas de energa debido a la viscosidad de los

    fluidos, y en particular, en la determinacin del factor de friccin de Darcy, muchos

    investigadores han desarrollado expresiones en base a desarrollos matemticos rigurosos o en

    base a experimentacin. Las diferentes bibliografas [7], [10] y [12] hacen una extensa

    recopilacin de estos estudios. Algunos de estos estn expuestos en las ecuaciones 2-14 y 2-15.

  • 21

    Factor de Fanning para rgimen laminar 2-14

    Correlacin de Colebrook para rgimen turbulento 2-15

    Otra representacin compacta y cmoda que sirve de alternativa para evaluar el factor de

    friccin de Darcy es el Diagrama de Moody. El cual est representado en la Figura 2.9.

    Figura 2.9 Diagrama de Moody. Usado para determinar e factor de friccin de Darcy. [13]

  • 22

    2.3.1.12 Prdidas Menores

    Para cualquier sistema de tuberas se tienen dos fuentes de prdidas de energa por friccin: las

    relacionadas a las prdidas en las tuberas, estudiado en el punto anterior, y las llamadas

    prdidas menores que estn relacionadas con:

    Comienzo o final de tuberas

    Expansin o contraccin abrupta o gradual de las tuberas

    Dobleces, codos, tees, y cualquier otro accesorio de tuberas

    Vlvulas abiertas, o parcialmente cerradas

    Cmo el patrn de flujo a travs de estos accesorios es apreciablemente complejo, el desarrollo

    terico riguroso es complicado. Las prdidas son comnmente medidas experimentalmente y

    correlacionadas con los parmetros de flujo. Los resultados, especialmente los de las vlvulas,

    dependen del fabricante. Por lo que una convencin para la presentacin de los resultados esta

    propuesta en las bibliografas [7], [10]y [12].

    Frecuentemente se presentan los resultados de introduciendo un factor de prdidas K definido

    del siguiente modo:

    2-16

    Por lo que en total, las prdidas de presin de cualquier sistema de tuberas hidrulico se

    pueden estimas con la siguiente expresin:

    2-17

    2.4 Sistemas Hidrulicos de Potencia

    El uso del fluido como generador o transformador de potencia se remonta a los antiguos

    egipcios, quienes usaron las ruedas hidrulicas como fuerza motriz. Luego en la dcada de 1650

    Pascal desarrollo su ley de la hidrosttica (Vase 2.3.1.4 Principio de Pascal.). Pero no fue hasta

  • 23

    1795 que Joseph Bramah aplico esas leyes para desarrollar la primera prensa hidrulica. Creando

    as la industria de los sistemas de potencia hidrulicos tal como se conoce hoy en da.

    Un sistema hidrulico de potencia es definido por [14] como la transmisin y control de energa

    a travs de fluido presurizado. Los mismos pueden disponer de actuadores lineales y/o rotativos.

    Un ejemplo de un sistema hidrulico de potencia bsico est representado en la Figura 2.10

    Filtro

    Bomba

    Vlvula de control de presin

    Motor

    Pistn Vstago

    Vlvula direccional

    Tanque

    Cilindro

    Fuerza y Desplazamiento

    Tuberias o manueras

    Conexiones

    Radiador

    Sensor de Presin

    Figura 2.10 Sistema de Potencia Hidrulico Bsico

    Cada uno de los elemento que conforman los sistemas hidrulicos de potencia tienen sus

    funciones y caractersticas especiales, las cuales, le permiten al sistema cumplir su misin y al

    mismo tiempo resguardar los aspectos de seguridad. A continuacin una breve descripcin de

    cada uno de los elementos importantes para este trabajo.

    2.4.1 Tanque Hidrulico

    La funcin natural de un tanque hidrulico o tanque de reserva es contener o almacenar el

    fluido de un sistema hidrulico. Sin embargo, en un tanque hidrulico correctamente diseado

    sucede que, cuando el flujo de trabajo regresa el tanque, una placa deflectora bloquea el fluido de

    retorno para impedir su llegada directamente a la lnea de succin, de esta forma, se produce una

  • 24

    zona de flujo lento el cual permite la sedimentacin de las partculas grandes de suciedad, por

    otra parte contribuye a que las burbujas de aire alcancen la superficie libre del fluido y, por

    ltimo, da oportunidad de que el calor se disipe a travs de las paredes del tanque [15]

    La Figura 2.11 ilustra diferentes proyecciones de un tanque hidrulico comn.

    Figura 2.11 Tanque Hidrulico comn. [16]

    2.4.2 Filtros

    Los filtros son los elementos encargados de remover las partculas contaminantes del fluido

    hidrulico, ya que, podran reducirle la vida de servicio de los dems elementos que se

    encuentran en el circuito hidrulico por medio de la abrasin.

    La seleccin de un filtro est influenciada principalmente por el nivel de limpieza de fluido

    requerido, la mxima presin de trabajo, el caudal y la mxima cada de presin permisible en el

    elemento. El nivel de limpieza, por su parte, est determinado por el tipo de sistema y su

    aplicacin, generalmente los fabricantes de los actuadores, bombas o dems elementos de los

    circuitos hidrulicos sugieren el tamao mximo de partcula contaminante permisible.

    Los filtros estn clasificados segn su desempeo de acuerdo con el ndice Beta, el cual est

    determinado por el conteo del nmero de partculas de un tamao dado aguas arriba, dividido

  • 25

    entre el nmero de partculas del mismo tamao aguas abajo del filtro. La Ecuacin 2-18 ilustra

    lo antes explicado.

    2-18

    La eficiencia de los filtros viene dado por:

    2-19

    2.4.2.1 Nivel de limpieza de un fluido hidrulico

    La nomenclatura para establecer el nivel de limpieza de los fluidos esta estandarizado por la

    norma ISO 4406 Hydraulic Fluid Power Fluids Method for coding the level of

    contamination y solid particles. La cual explica:

    La codificacin del nivel de contaminacin est representada por tres nmeros separados entre

    s por una lnea oblicua. El primer nmero representa el nmero de partculas contadas por cada

    mililitro, cuyo tamao es mayor o igual a 4 micrmetros (m), el segundo nmero es relativo al

    tamao de partcula de 6 micrmetros y el tercer nmero es relativo al tamao de partcula 14

    micrmetros respectivamente.

    La escala de los nmeros de partculas contadas por mililitro est tabulada en la misma norma

    ISO 4406. A continuacin se dar un ejemplo para facilitar la comprensin:

    Si se tiene el cdigo 22/18/13 significa que existen ms de 20.000 y menos de 40.000 partculas

    de igual tamao o ms grandes que 4 m, ms de 1.300 y menos de 2.500 partculas de igual o

    mayor tamao que 6 m y ms de 40 pero menos de 80 partculas de igual o mayor tamaos que

    14 m, presentes en 1 ml de una muestra de fluido.

    2.4.3 Bomba Hidrulica

    La Bomba Hidrulica es una mquina que absorbe energa mecnica y restituye al lquido que

    la atraviesa energa hidrulica (i.e. presin y velocidad). [13]. Si la transferencia de energa

  • 26

    ocurre por un cambio del momento angular del fluido, entonces la mquina se clasifica bajo el

    trmino turbo-mquina. Si la transferencia de energa es producto de forzar y trasladar al fluido

    dentro de cavidades, entonces se clasifica como mquina de desplazamiento positivo.

    2.4.3.1 Seleccin de una Bomba Hidrulica

    Dada la inmensa variedad de tipos y tamaos de bombas, resulta fcil de entender lo

    complicado que puede llegar a ser el seleccionar una bomba adecuada para una aplicacin en

    particular. Es por eso que, luego de la recopilacin de muchas pruebas experimentales y anlisis

    dimensionales, hoy en da en bibliografas como [13], [17] o [18] se pueden encontrar grficas y

    expresiones que indiquen los valores frontera de caudal, presin, viscosidad entre otros, a los que

    han podido trabajar los diferentes tipos de bombas construidas a la fecha; as como tambin se

    presenta un gua de seleccin de bombas orientada en la bsqueda del rango de operacin de

    mxima eficiencia energtica. Las Figura 2.12 y Figura 2.13 muestran un ejemplo de lo antes

    comentado.

    Figura 2.12 Limites de Presin y Caudal para varios tipos de bombas segn [17]

  • 27

    Figura 2.13 Velocidad especfica para varios tipos de bombas como herramienta en la bsqueda de mxima

    eficiencia en la seleccin de bombas de acuerdo con [17]

    2.4.4 Motor: impulsor de la bomba.

    Un motor es una mquina destinada a producir movimiento a expensas de otra fuente de

    energa. En la actualidad mundial, y en especial en Venezuela, se estn tomando medidas intensas

    a favor del ahorro energtico. Esto debido en parte a los elevados costos de produccin y, por

    otro lado, a que la industria elctrica no ha sabido responder oportunamente con las elevadas

    demandas de los ltimos aos.

    En el pasado, el flujo de los lquidos de proceso, por lo general, se regulaba con estrangulacin,

    en donde se operaba a la bomba a su plena velocidad constante y se restringa el flujo con una

    vlvula de control para variarlo. Pero esto claramente desperdicia energa. [18].

    Para enfrentar el problema de hacer operar a las bombas en diferentes puntos de operacin, se

    usan unidades motrices de velocidad variable, las cuales ofrecen un ahorro energtico importante.

    Aunque cabe destacar que no siempre el criterio energtico es el determinante en la seleccin del

    mismo. Entre los tipos de motores usados para esta aplicacin estn los siguientes [17]:

  • 28

    Motores elctricos

    Turbinas de vapor

    Motores de combustin interna

    Turbinas de gas

    Considerable

    La bibliografa [17] hace un desarrollo amplio de cada tipo de motor arriba mencionado

    aplicado al campo de las bombas hidrulicas.

    2.4.5 Vlvulas de Control

    Una vlvula es un dispositivo mecnico que controla el flujo y la presin de un sistema o

    proceso. Las vlvulas hacen su funcin mediante cualquiera de las siguientes acciones [19]:

    Detener o liberar un flujo.

    Variar (mediante estrangulacin) la cantidad de flujo.

    Controlar la direccin del flujo.

    Regular la presin aguas abajo.

    Aliviar los componentes o tuberas ante sobrepresiones

    2.4.5.1 Vlvulas de control de presin:

    Los tipos de vlvulas ms usados para controlar la presin son los siguientes:

    2.4.5.1.1 Vlvulas Limitadoras de Presin:

    Este tipo de vlvulas protege los equipos y a los operadores de un sistema ante sobrepresiones

    en el fluido de trabajo. Generalmente abren del cero al cien por ciento de manera abrupta para

    evitar algn accidente. [19]

    La Figura 2.14 muestra un corte simplificado de este tipo de vlvulas.

  • 29

    Figura 2.14 Representacin simplificada las vlvulas limitadoras de presin

    2.4.5.1.2 Vlvulas secuenciales:

    Una vlvula de secuencial es la encargada mantener el paso cerrado en una lnea hidrulica

    hasta que la presin a la entrada de la misma no se iguale a cierto valor establecido. Por ejemplo,

    en la Figura 2.15, el paso de aceite no fluir del puerto P al R hasta que se alcance una

    presin deseada en P. Si la presin aguas arriba posteriormente disminuye, entonces el paso se

    cierra nuevamente. [20]

    Figura 2.15 Vlvula secuencial.

    2.4.5.2 Vlvulas Direccionales :

    Las vlvulas direccionales se usan para controlar la direccin del caudal. Dentro de esta

    clasificacin coexisten varios tipos de vlvulas, incluyendo la conocida vlvula check, pero de

    acuerdo a los intereses de este trabajo ser desarrollado slo los distribuidores hidrulicos.

  • 30

    2.4.5.2.1 Distribuidores Hidrulicos:

    La vlvula direccional hidrulica es el componente del sistema hidrulico que desva o cambia

    la direccin del flujo con diferentes propsitos. Cada vez que la vlvula cambia de estado, el flujo

    cambia de direccin porque se alteran las cavidades internas de la misma. [21]

    La identificacin de estas vlvulas viene dado por el nmero de posiciones, el nmero de vas,

    el tipo de posicin normal y el tipo de accionamiento principalmente. La Figura 2.16 ilustra la

    simbologa de este tipo de vlvulas.

    Figura 2.16 Forma de identificacin de las vlvulas direccionales

    2.4.5.3 Seleccin de Vlvulas

    La bibliografa [22] propone un mtodo de seleccin de vlvulas de acuerdo con tipo del

    sistema, las propiedades del fluido, las caractersticas de las tuberas, las consideraciones de

  • 31

    seguridad, ambientales, los tipos de actuadores, la interaccin humana, entre otras cosas, las

    cuales, sern usadas como gua para la seleccin de vlvulas del presente trabajo.

    2.4.6 Actuadores

    Ver la seccin 2.2 Cilindros Hidrulicos.

    2.4.7 Sistema de enfriamiento: Radiador

    Para cualquier sistema hidrulico es deseable que se mantenga la temperatura del fluido de

    trabajo en, o debajo de, la temperatura recomendada para un ciclo de trabajo continuo. Ya que

    esto prolonga la vida de dicho fluido, mantiene adems una satisfactoria viscosidad y preserva la

    vida de los sellos.

    Las fuentes de calor en los sistemas hidrulicos provienen principalmente de las prdidas de

    energa en las bomba, adicionalmente hay un componente importante de calor generado en el

    sistema producto de las perdidas por friccin en las tuberas. [23]

    Para determinar la necesidad de enfriamiento del fluido de trabajo y dimensionarlo en caso de

    ser necesario, se usara en el presente trabajo el procedimiento recomendado por la bibliografa

    [23]. La Figura 2.17 ilustra un de radiador para un sistema hidrulico de gras articuladas

    Palfinger.

    Figura 2.17 Radiador de un sistema hidrulico de gras articuladas Palfinger.

    2.4.8 Conexiones y otros accesorios hidrulicos

    Las conexiones hidrulicas son usadas en los sistemas hidrulicos para conectar a una seccin

    tubera o manguera algn accesorio que le permita operar de manera satisfactoria.

  • 32

    Las conexiones hidrulicas se identifican bsicamente por dos aspectos: el mtodo de conexin

    y la funcin del accesorio. Las vlvulas son un tipo especial de accesorio que ya fue abordado por

    el punto 2.4.5 Vlvulas de Control por lo que en esta seccin se explicaran otros tipos de

    accesorios que son de utilidad en el presente trabajo.

    2.4.8.1 Mtodos de conexin:

    2.4.8.1.1 Conexin con avellanado de tuberas:

    Las conexiones con avellanados (tambin llamados tipo Flared o JIC 37) requieren la

    deformacin local de las tuberas a unir; debido a esto, estn limitadas a materiales dctiles en los

    que se pueda hacer el avellanado antes de la rotura del material. [23]

    Consisten bsicamente de una tuerca hembra, una bocina avellanada y el cuerpo de conexin

    con el final roscado. El sello de este tipo de acople ocurre cuando la tuerca (mostrada en azul en

    la Figura 2.18) es apretada con el cuerpo de conexin ocasionando as una presin en la zona

    cnica.

    Figura 2.18 Conexin tipo flared [24]

    2.4.8.1.2 Conexin por prensado de manguera:

    Este tipo de conexiones son usadas en las mangueras de los sistemas hidrulicos de alta presin

    y consisten en la instalacin permanente de una espiga, introducida en el interior de la manguera,

  • 33

    y un Ferrule, instalado en el exterior de la misma, mediante la aplicacin de una gran presin

    externa. La manguera queda de esta forma prensada entre el Ferrule y la Espiga, generando as el

    sello de este tipo de conexin. La Figura 2.19 muestra un ejemplo.

    Figura 2.19 Conexin por prensado de manguera.

    2.4.8.2 Otros accesorios :

    Los accesorios ms comunes son los ms sencillos pero no menos importantes en los sistemas

    hidrulicos, estos accesorios no tienen ningn tipo de control o cambio de modalidad como las

    vlvulas (abiertas o cerradas), ya que simplemente se limitan a intervenir en la direccin o

    velocidad del fluido de trabajo. Algunos de estos son:

    2.4.8.2.1 Reductores:

    Un reductor permite el cambio de dimetro de un sistema de tuberas ya existente a otro de

    tamao diferente Estos son generalmente concntricos aunque si se requiere, los excntricos

    tambin existen. La Figura 2.20 ilustra dos ejemplos de estos accesorios.

    Figura 2.20 Conexiones reductoras

    2.4.8.2.2 Codos:

    Un codo es un accesorio que permite la instalacin de dos secciones de tubera que tienen un

    cambio de direccin. Usualmente los codos vienen en 90 y 45 grados. Si los terminales de los

  • 34

    codos difieren en dimetro son llamados codos reductores. La Figura 2.21 muestra este tipo de

    accesorios.

    Figura 2.21 Conexin tipo codo

    2.4.8.2.3 Tees:

    Las conexiones Tee son usadas para combinar o dividir el fluido de trabajo. Su forma

    caracterstica es similar a la letra T y estn presentes en el mercado con una amplia gama de

    tamaos, materiales y terminales. La Figura 2.22 ilustra este tipo de conexiones.

    Figura 2.22 Conexin tipo Tee

    2.4.9 Instrumentacin: Manmetro

    El manmetro es un dispositivo que sirve para medir la presin de los fluidos contenidos en

    recipientes cerrados. El ms usado en los sistemas hidrulicos es el manmetro de Bourdon, el

    cual est formado por un tubo de seccin elptica que forma un anillo casi completo y cerrado por

    un extremo. Al aumentar la presin en el interior del tubo, este tiende a desenrollarse y tal

    movimiento es transmitido a la aguja indicadora. [15] La Figura 2.23 muestra los componentes

    principales de este tipo de instrumentacin.

  • 35

    Figura 2.23 Manmetro hidrulico tipo Bourdon

    2.4.10 Mangueras

    Una manguera es un tubo hueco flexible diseado para transportar fluidos de un lugar a otro. La

    seccin transversal de una manguera generalmente es cilndrica y estn caracterizadas

    generalmente por su tamao, presin de operacin, peso, longitud y compatibilidad qumica.

    En vista de esto, la Sociedad de Ingenieros Automotrices SAE estableci una clasificacin para

    las mangueras ms comunes presentes en los sistemas hidrulicos actuales. Un ejemplo de la

    codificacin usada por la SAE puede verse en la Tabla 2.2 y la Tabla 2.3.

    Tabla 2.2 Codificacin de las Mangueras segn la SAE: Especificaciones globales

    Cod. SAE Recubrimiento interno Refuerzo Recubrimiento externo Rango de Temp.

    100 R11 Caucho Sinttico

    resistente al aceite

    Seis capas espirales de

    alambre grueso

    Caucho Sinttico

    resistente al aceite -40 hasta 200 F

    100 R13 Caucho Sinttico

    resistente al aceite

    Mltiples capas espirales

    de alambre grueso

    Caucho Sinttico

    resistente al aceite -40 hasta 250 F

    Tabla 2.3 Codificacin de las Mangueras segn la SAE: Especificaciones locales

    Cod SAE Dimetro

    interno [in]

    Dimetro

    externo [in]

    Radio de doblez

    mnimo [in]

    Presin mx. de

    trabajo [psig]

    Presin min de

    explosin [psig]

    100 R11

    3/4 1,594 11 6250 25000

    1 1,953 14 5000 20000

    2 3,031 28 3000 12000

    100 R13

    3/4 1,306 9,5 5000 20000

    1 1,567 12 5000 2000

    2 2,862 25 5000 2000

  • 36

    2.5 Anlisis Estructural

    El anlisis estructural de este trabajo de grado se realiz mediante la implementacin del

    Mtodo de Elementos Finitos. Por lo que a continuacin se presenta una pequea revisin

    bibliogrfica que tiene la intencin de familiarizar al lector con el tema en aras de facilitar la

    interpretacin del desarrollo del presente trabajo. Para ms informacin consultar [25] y [26].

    2.5.1 Mtodo de Elementos Finitos

    Virtualmente cada problema en la naturaleza, bien sea biolgico, geolgico o mecnico, puede

    ser descrito bajo las leyes de la fsica en trminos algebraicos, diferenciales o integrales. En

    general los dos mayores retos que involucra el anlisis de fenmenos fsicos son:

    1. Formular matemticamente el proceso

    2. Resolver numricamente el modelo matemtico.

    El primero de los problemas se supera mediante la observacin y el entendimiento de las leyes

    fsicas que describen el proceso. Luego se materializa con la traduccin al lenguaje matemtico.

    Este paso generalmente no conlleva mayor dificultad, ahora, resolver la formulacin matemtica

    del modelo de manera exacta o aproximada puede convertirse en un formidable reto.

    El Mtodo de Elementos Finitos ofrece un procedimiento sistemtico usado para la

    aproximacin de soluciones de modelos matemticos diferenciales que, de otra forma, pueden

    llegar a ser imposibles o requieren un alto grado de aproximaciones y suposiciones.

    Este mtodo ofrece tres caractersticas fundamentales que lo destacan sobre otros mtodos

    existentes:

    1. Los dominios geomtricos complejos son representados por una agrupacin de

    geometras sencillas llamadas: elementos finitos o mallados.

    2. Sobre cada elemento finito son aplicadas las funciones matemticas globales que

    modelan el proceso fsico. Partiendo de la idea de que una funcin continua puede ser

    representada como una combinacin lineal de sub-funciones.

    3. Las soluciones de las relaciones algebraicas que comunican a cada elemento son

    obtenidas mediante el cumplimiento de las condiciones de borde impuestas por el

    problema fsico.

  • 37

    En problemas de anlisis de esfuerzos, como el presente, el objetivo del mtodo de elementos

    finitos es el de calcular los desplazamientos u en base a una posicin inicial que, para cada punto

    de la pieza o estructura, satisfagan las ecuaciones de equilibrio o de movimiento, as como las

    condiciones de borde (vnculos y cargas). En general, se resuelven las ecuaciones de este tipo:

    2-20

    En los problemas estticos o cuasi-estticos ( ), la ecuacin 2-21 se transforma en la

    siguiente expresin:

    2-21

    Donde G es conocida como el vector de fuerza residual, y es tomada por el mtodo como un

    valor de referencia para evaluar la convergencia de los resultados en base a algn criterio

    (generalmente el 5% de los valores globales de fuerza [27]).

    El problema a resolver puede ser lineal o no-lineal. Las no-linealidades pueden derivarse por

    grandes deformaciones, no-linealidades en el material y condiciones de borde no-lineales tales

    como el contacto y la friccin existente entre dos o ms superficies. Si el problema es no lineal el

    mtodo de NewtonRaphson debera ser usado para resolver la ecuacin 2-21, por el contrario, si

    es lineal, una solucin exacta de las ecuaciones que gobiernan el problema fsico ser obtenida.

    Cabe destacar que este mtodo es sensible a la correcta formulacin de cualquiera de las tres

    caractersticas principales que lo distinguen y que ya fueron numeradas (mallado, modelo fsico y

    condiciones de borde). Por ende, el xito de su aplicacin para predecir el comportamiento de

    algn sistema fsico real est sujeto a la experiencia del proyectista y, por otro lado, los resultados

    deberan ser validados experimentalmente para estimar el orden de magnitud de las desviaciones

    con la realidad.

  • 38

    3) CAPITULO III

    DISEO

    Este captulo presenta una recopilacin del proceso de diseo del banco de pruebas para la

    inspeccin de gras articuladas y cilindros hidrulicos de acuerdo con el mtodo de diseo

    propuesto en el Captulo 1, ubicado en la Figura 1.1, pgina 9.

    1 Fase preparatoria

    La definicin de la necesidad y circunstancias del cliente estn indicadas en la introduccin de

    este informe, situado en la pgina 1. Por otra parte la definicin del problema y sus alcances

    pueden ser revisados en las pginas 6 y 7 respectivamente. Las investigaciones tericas

    preliminares estn a su vez expuestas en el captulo II, pgina 10.

    Paralelamente se procedi a la especificacin de los requerimientos globales del banco de

    prueba, los cuales, fueron discutidos con la directiva de Maquinarias Mega con quien se acord

    que:

    1. El banco de pruebas deber ser capaz de probar operativamente a todas las gras

    articuladas Palfinger que se encuentran dentro del rango de la PK-4501 hasta la PK-

    32080.

    2. El banco deber ser mvil mediante el uso de montacargas, y deber ser capaz de

    transportarse en una plataforma de camin Ford F-750 perteneciente a Maquinarias

    Mega.

    3. En el banco de pruebas se debern realizar las pruebas hidrostticas a todos los cilindros

    hidrulicos que forman parte de las gras articuladas Palfinger en el rango antes

    indicado.

    Con esta informacin se puede realizar el rbol funcional con la intencin de establecer,

    relacionar y jerarquizar las funciones a ejecutar por el banco de prueba para cumplir con los

    requerimientos. La Figura 3.1 muestra el rbol funcional propuesto para este caso.

  • 39

    Realizar la prueba de Operatividad a gras articuladas Palfinger

    Sistema Estructural

    Sistema Hidrulico

    Ser mvil

    Realizar las pruebas hidrostticas a cilindros hidrulicos

    El Banco de Pruebas

    Deber

    Ser estable ante la volcadura

    Resistir las carga estructurales

    Brin