CAPÍTULO III ESTUDIO DEL PROBLEMA DE … de maquinas (buldózer, cargadora y retroexcavadora) en diversos tipos de terrenos. El registro de los datos se hace de forma discreta de

Aplicación del método de los elementos discretos a problemas de desgaste

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CAPÍTULO III

ESTUDIO DEL PROBLEMA DE DESGASTE

En el presente capítulo se muestran los resultados obtenidos en los ensayos de laboratorio y campo, así como las simulaciones de desgaste de los mismos realizadas. Para ello se toma como patrón de comparación los ensayos de laboratorio y las pruebas de campo realizadas, y de este modo poder evaluar la validez del modelo propuesto para la simulación del desgaste. La metodología establecida para realizar el estudio de desgaste desde un punto de vista cronológico es la siguiente: • Ensayos preliminares de laboratorio: Se utiliza el ensayo de ZFS y se compara el

desgaste de los diferentes tipos de aceros bajos una misma configuración geométrica del diente. El diente utilizado es el MG5V, y los tipos de acero son el MET91, el MET71, el D1B y el D2B. Los ensayos preliminares de laboratorio se realizaron con el objetivo de contar con un estudio comparativo de la calidad de los diferentes tipos de aceros

• Ensayos de laboratorio controlados: En ellos se estiman los parámetros necesarios

para realizar el procesos de simulación tanto de los ensayos de laboratorio como de las pruebas de campo. Los ensayos de laboratorio controlados se efectúan con la misma herramienta de corte conformada con diferentes tipos de aceros efectuándose el corte sobre distintos tipos de materiales y rocas. Se utilizan dos ensayos (ZFS y Salami). Este estudio comparativo propicia evaluar la validación de la formulación del método de los elementos discretos y su implementación computacional.

• Simulaciones del los ensayos de laboratorio: Se efectúan las simulaciones de

diversas pruebas de laboratorio descritas en el apartado anterior. Las pruebas de laboratorio sirven para calibrar el modelo. De forma resumida, en este apartado se procede a la validación y calibración de los modelos y la formulación del método de los elementos discretos. Después de haber calibrado el modelo se efectúa la simulación de las diferentes pruebas de campo.

• Pruebas de campo: Las pruebas de campo ejecutadas se efectuaron con diferentes

tipos de maquinas (buldózer, cargadora y retroexcavadora) en diversos tipos de terrenos. El registro de los datos se hace de forma discreta de manera que se puede graficar la evolución del desgaste de los útiles a medida que aumenta el tiempo de trabajo.

• Simulaciones de las pruebas de campo. En las simulaciones de las pruebas de campo

se realizaron diversos estudios. Se estudia al igual que en las pruebas el Buldózer, la Cargadora y la Retroexcavadora. En el caso de buldózer se realizaron simulaciones del mismo en diferentes tipos de terreno. Primeramente en tres terrenos de dureza media (toba, arenisca y traquita) y después en dos terrenos muy duros (mármol y granito). De forma análoga se simula la cargadora y la retroexcavadora en diferentes tipos de terrenos.


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3.1. Estudio experimental de laboratorio controlado. Comparación experimental de resistencia al desgaste de diferentes tipos de dientes fabricados con diferentes aceros. En la investigación realizada sobre desgaste de las diferentes herramientas de corte de rocas primeramente se realiza un estudio comparativo preliminar de diversos tipos de aceros. El equipamiento de laboratorio utilizado para los ensayos de laboratorio se puede ver en la figura siguiente:

Figura 18: Equipo de laboratorio para la realización de los ensayos de desgaste

Este equipo esta dotado de un sistema de control de fuerzas, velocidades, además de un control estricto de la temperatura. El control de estos parámetros unidos a la determinación del desgaste en la dirección normal y la pérdida de peso del elemento de corte permite calcular los parámetros deseados para realizar una correcta simulación. Estas parámetros determinados por ensayos de laboratorios controlados posibilita caracterizar las variables necesarias para la simulación, que a su vez permitirán simular procesos de corte en roca a escala real, es decir, ensayos de campo de diferentes tipos de equipos.

La finalidad de este estudio preliminar es la comparación de diferentes tipos de aceros y conocer el comportamiento de la resistencia al desgastes de los mismos. Para ello se somete a ensayo diferentes tipos de calidades de aceros con una misma configuración de geométrica del diente: Estas calidades de los aceros son los clasificados por:

• MG5V-MET91

• MG5V-MET71

• MG5V-D1B

• MG5V-D2B


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La primera denominación en la clasificación es el tipo de diente y la segunda corresponde a tipo de acero.

En el estudio termo-mecánico del proceso de corte de rocas es necesario conocer las propiedades mecánicas y térmicas de los aceros y rocas. Estas propiedades están caracterizadas por la capacidad calorífica, la conductividad térmica, el coeficiente de conductividad térmica en el contacto roca herramienta de corte y para la trasmisión a la superficie de la herramienta de corte y la roca.

Estas propiedades de forma resumida son las siguientes:

• Aceros

Capacidad Calorífica 450=c J/(kg·K), Conductividad de calor 60=κ W/(m·K), (low carbon steel 66.9) Densidad 7830=ρ kg/m3 (Calor especifico c=0.12 cal/(gK)=0.12*4.1868*1000 W/(mK)=502

• Arenisca Capacidad Calorífica 1970=c J/(kg·K), Conductividad de calor k = 5.2 W/(m·K) Densidad 2500=ρ kg/m3

• Suelo arenoso Capacidad Calorífica 1004=c J/(kg·K), Conductividad de calor 58.0=κ W/(m·K), Densidad 1820=ρ kg/m3

• Mármol Capacidad Calorífica 860=c J/(kg·K), Conductividad de calor 3=κ W/(m·K), Densidad 2700=ρ kg/m3

• Toba Capacidad Calorífica 950=c J/(kg·K), Conductividad de calor 5.25.0 −=κ W/(m·K), 2 W/(mK) Densidad 2500=ρ kg/m3

• Arena seca Capacidad Calorífica 800=c J/(kg·K), Conductividad de calor 35.0=κ W/(m·K), Densidad 1600=ρ kg/m3

1 cal = 4,1868 J

Las propiedades térmicas de la superficie e interfase del contacto

Los valores típicos del coeficiente de trasmisión de calor para la trasferencia forzada con aire o gas es:

10010)convection(fsurf −=−h W/(m2K)


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3.1.1. Ensayos de desgaste de laboratorio ZFS. Con el objetivo de calibrar el modelo y la implementación computacional del método de los elementos distintos acoplada con el problema de desgaste y la influencia de la temperatura en el estudio de la durabilidad de las herramientas de cortes de diferentes equipos, se han desarrollado una serie de pruebas experimentales. Estas pruebas se han ejecutado con control de varias variables en tiempo real. En los ensayos se controlan laa diferentes componentes de fuerzas, el desgaste en la dirección normal, la temperatura, la pérdida de masa de la herramienta de corte. Este control de las diferentes variables de respuesta en los diferentes ensayos con diferentes calidades de aceros realizando el corte sobre diferentes tipos de terrenos, permite obtener los parámetros técnicos necesarios para realizar simulaciones a escala real. El equipamiento con que se realiza el ensayo tiene un control numérico en tiempo real de las fuerzas, temperatura. El control del desgaste de la herramienta de corte en la dirección normal, el área de desgaste y la pérdida de masa son variables que se estudiaron de forma discreta en el tiempo. La ilustración del equipamiento utilizado para este estudio se refleja en la figura siguiente (19):

Figura 19: Equipo para simular a escala de laboratorio el proceso de corte y a su vez estimar los parámetros necesarios para la simulación. Sistema de referencia, dirección de movimiento y

partes componente del equipamiento empleado. El diente utilizado para el ensayo es el MG5V, variando el tipo de acero utilizado. Los aceros utilizados son los siguientes:

• MET 91 • MET 71 • D1B (Duramet 1B) • D2B (Duramet 2B)

A continuación se muestran dos ilustraciones del diente utilizado (figura 20).:

Herramienta de corte

3-Componente Dinamométrico

Dispositivo

Losa de roca

Dirección de Movimiento

45°

Y X

Z


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Figura 20: Diente MG5V utilizado para el desgaste en ensayo de laboratorio. Vista perfil y 3D. Se procede con un control numérico de las fuerzas en cada uno de los ejes del sistema de referencia. Con posterioridad conociendo las componentes de las fuerzas en cada dirección y el ángulo de corte de la herramienta se puede determinar la fuerza en la dirección normal. Los resultados del control de fuerzas para el caso de un ensayo se muestran a continuación en la figura siguiente:

Figura 21: Comportamiento de la diferentes fuerzas en cada uno de los ejes de sistema de referencia.

-50

0

50

100

150

200

250

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Time [s]

Forc

es [N

]

force in x-direction

force in y-direction

force in z-direction

15 Per. gleitender Durchschnitt (forcein z-direction)

MGV5 (MET 71), after 200m

l = 465 mmv = 5000 mm/minf = 0,1 mm

Fuer

za

Tiempo

Fuerza en dirección X

Fuerza en dirección Y

Fuerza en dirección Z

Aprox. fuerza en dirección Z


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Figura 22: Comportamiento de las diferentes fuerzas con la distancia de corte recorrida.

Fuer

za (N

)

Tiempo segundos

Fuer

za (N

)

Tiempo segundos

Tiempo segundos

Fuer

za (N

)


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Los resultados de control de fuerza como se puede observar está realizado durante todo el proceso de corte. En las figuras se muestra el comportamiento de las componentes de las fuerzas en función de la distancia recorrida por el elemento de corte. El control de la temperatura se realiza con un sensor de control de temperatura colocado en el equipo. Este control de la temperatura se realiza de tiempo real y al igual que las fuerzas se obtuvieron los resultados de la temperatura con la distancia recorrida por el elemento de corte. En la figura siguiente se observa la influencia de la temperatura en la herramienta de corte.

Figura 23: Influencia de la temperatura en la herramienta de corte.

Los resultados obtenidos en cada uno de los ensayos de desgaste realizados a nivel de laboratorio se tabularon en tablas y con posterioridad se realizaron las curvas de comportamiento de las diferentes variables de respuestas controladas durante el ensayo. De forma ilustrativa se presentan los resultados tabulados de un ensayo de desgaste.

Prueba 030303-01

Referencia MG5V

Acero Duramet 2B

Material Granito

Control de Fuerzas Fy = 750 N

----

Numero de pases 5

Distancia de corte/ pase [mm] 465

Distancia del pase [mm] 32.5

Velc. De Corte [mm/min] 5000

Velocidad [mm/min] 10000

Tabla 1: Resultados de desgaste del útil en el ensayo ZFS.


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Distancia de corte[m] 0 100 200 300 400 500 600

invertido invertido

Herramienta

PEsot [kg] 0.53458 0.53394 0.53378 0.53321 0.53299 0.53283 0.53275

Longitud a [mm] --- 118.37 117.82 116.65 116.63 114.94 116.30

Longutud b [mm] 125.95 124.54 124.04 122.64 121.52 121.49 121.24

temperatura [°C] --- 103 74 103 78 85 82

Desgaste en la dirección normal

longitud [mm] --- 5.0 5.5 3.0 5.5 5.0 6.0

Angulo del diente

α [°] --- 130.5 134.0 133.5 135,0 (128,0) *

β [°] --- --- --- 152.0 155,0 (155,5) * * - Los valores en los paréntesis estaban en función de la geometría del

diente real.

Tabla 2: Resultados de desgaste del útil en el ensayo ZFS.

En el estudio experimental se han realizado varios ensayos en diferentes tipos de rocas y la herramienta de corte se ha conformado con diferentes calidades de aceros. Los resultados obtenidos en algunos de los ensayos de desgaste realizado se pueden observar en la figura siguiente:

Relación entre porciento de pérdida de masa y tiempo

0,00%0,05%0,10%0,15%0,20%0,25%0,30%0,35%0,40%0,45%0,50%0,55%0,60%0,65%0,70%0,75%0,80%

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Tiempo (minutos)

% d

e Pe

rdid

a de

Mas

a

MET-91 (prueba 2)

MET-91 (prueba 3)

MET-71 (prueba 4)

Figura 24: Resultados de algunas pruebas de desgaste realizadas a nivel de laboratorio ZFS.


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PRUEBA 1 -- Acero MET 71 distancia velocidad tiempo peso Perdida peso % pérdida peso

[m] [m/minuto] [minutos] [Kg] [Kg] (en tanto por uno) 0 10 0 0,52551 0 0

100 10 10 0,52485 0,00066 0,001257502200 10 20 0,5231 0,00241 0,00460715300 10 30 0,52016 0,00535 0,010285297400 10 40 0,51699 0,00852 0,016480009460 10 46 0,51511 0,0104 0,020189862



100 10 10 0,51079 0,00102 0,001992927200 10 20 0,50813 0,00368 0,007190168300 10 30 0,50687 0,00494 0,009652019400 10 40 0,50395 0,00786 0,015357261



100 10 10 0,52716 0,00098 0,001855569200 10 20 0,52415 0,00399 0,007554815300 10 30 0,52346 0,00468 0,008861287400 10 40 0,52202 0,00612 0,011587837500 10 50 0,5209 0,00724 0,013708486600 10 60 0,51978 0,00836 0,015829136



100 10 10 0,51467 0,00085 0,001648821200 10 20 0,51206 0,00346 0,00671167300 10 30 0,51133 0,00419 0,008127716400 10 40 0,50988 0,00564 0,01094041500 10 50 0,50881 0,00671 0,013015984600 10 60 0,50716 0,00836 0,016216636

Tabla 3: Resultados de las pruebas de desgaste realizadas a nivel de laboratorio ZFS.


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3.1.2 Ensayo de laboratorio Salami. En los ensayos realizados en la Ecole des Mines de Paris, se procede a un estudio comparativo de los diferentes tipos de aceros. La figura 25 muestra el equipo utilizado para el ensayo de laboratorio. El ensayo consiste en un banco rotatorio para el suelo y un brazo vertical que sujeta el útil de corte. Una fuerza vertical es aplicada por el diente sobre el suelo, y además éste está en movimiento continuamente.

Figura 25: Equipo de laboratorio Salami para el ensayo de desgaste.

Tal y como se observa, este ensayo guarda cierta similitud con el ensayo ZFS, diferenciándose principalmente en la disposición de ataque del útil con el material sobre el cual fricciona.


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En las figuras siguientes se realiza una ilustración de los dientes antes y después de haber sido sometidos a ensayos. Como se puede apreciar después de haber sometido las herramientas de corte a un ensayo controlado se observa de forma palpable de desgastes de las mismas.

Figura 26: Herramientas de cortes antes y después de haber sido sometidas a ensayos. Durante la realización de ensayo cada ciertos intervalos de tiempo se fue controlando la pérdida de peso de las herramientas de corte para después realizar el análisis comparativo entre los diferentes tipos de aceros. Además del control de peso se mantuvo durante la realización de las pruebas un control estricto de las fuerzas en cada uno de los sistemas de referencias correspondiente para después compararlas con las obtenidas en el proceso de simulación. Los resultados del control de fuerzas de forma ilustrativa se representa en la figura siguiente.


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Figura 27: Ejemplo del control en tiempo real de las fuerzas durante la realización del ensayo.

Figura 28: Pérdida de masa en gramos en función de la distancia recorrida en metros para las cuatro

herramientas de corte La resistencia al desgaste de los cuatro tipos de aceros es muy similar aunque se aprecia una ligera diferencia entre ellos. EL MG5V-D2B es el que mayor pérdida de masa presenta, mientras que el MG5V-D1B es el que mayor resistencia al desgaste. El MG5V-MET71 por su comportamiento a medida que se ha realizado el ensayo a aumentado la temperatura y esto ha provocado un cambio en sus propiedades mecánicas. Este aspecto ha hecho que después de haber recorrido 600 m el mismo

Distancia (m)

P

érdi

da d

e m

asa

(gra

mos

)

Distancia en mm


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presente la misma resistencia al desgaste que el MG5V-D1B. El MG5V-MET91 en los primeros 600 m de recorrido se comporta de forma similar al MG5V-D1B y después de rebasar esta distancia ha disminuido su resistencia al desgaste aumentado la pérdida de masa del mismo.

Figura 29 : Pérdida de altura en milímetros de la herramienta de corte en función de la distancia en

metros.

Figura 30: Fuerza promedio de corte requerida para cortar la roca en función de la distancia recorrida. Comparación entre las cuatro herramientas de corte.

Distancia (m)

Pérd

ida

de a

ltura

(m

m)

Distancia (m)

F

uerz

a m

áxim

a de

cor

te [

N]


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La pérdida de altura de las cuatro herramientas de corte son muy similares en los primeros 400 m. En la distancias comprendidas entre 400 – 700 m el MG5V-MET91, MG5V-D1B y MG5V-D2B presentan un comportamiento análogos. EL MG5V-MET91 cuando sobre pasa la distancia de 850 m disminuye su resistencia al desgaste y aumenta la pérdida de altura de la herramienta de corte. Por sus parte las herramientas de cortes MG5V-MET71 y MG5V-D1B son los que menos pérdida de altura presentan.

Figura 31: Fuerza normal promedio requerida para cortar la roca en función de la distancia. Comparación

entre las cuatro herramientas de corte. Como se puede observar en las figuras 30 y 31 la fuerza normal y la fuerza de corte son proporcionales a la resistencia al desgaste. El MG5V-D1B y el MG5V-D2B son las herramientas de corte que más fuerza de corte y fuerza normal se le aplicaron para lograr el desgaste de las mismas. Por su parte El MG5V-MET91 y El MG5V-71 necesitaron menores valores de fuerzas de corte y fuerza normal.

Distancia (m)

Fue

rza

norm

al p

rom

edio

[N

]


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3.2. Simulaciones de las pruebas de laboratorio. A partir de los ensayos de laboratorio realizados, (ensayos ZFS y Salami); se procede a simular dichos ensayos; y comparar los resultados virtuales con los resultados reales. El objetivo es estudiar el fenómeno de desgaste de los ensayos de los dos equipos utilizados, tal y como se define en el apartado 3.1. de ensayos de laboratorio Las simulaciones numéricas de los experimentos de desgaste efectuados en el laboratorio sirven para calibrar y validar el modelo numérico y su implementación computacional 3.2.1. Metodología para realizar la simulación de desgaste. La simulación se efectúa definiendo una probeta de dimensiones iguales a las del ensayo real compuesta por elementos discretos. Existen dos metodologías diferentes para los dos tipos de ensayos respectivos: • Ensayo ZFS: La cuchilla se encuentra inclinada del mismo modo que el ensayo

real de laboratorio. • Ensayo Salami: La cuchilla se encuentra vertical a 90º del mismo modo que el

ensayo real de laboratorio. 3.2.2. Parámetros termo-mecánicos y de desgaste para la realización de las simulaciones. Las partículas que forman el útil de excavación y el terreno han sido generadas de forma aleatoria. Las características micro-estructurales de los aceros y de los diferentes tipos de terrenos han sido calculadas previamente. Los parámetros constitutivos que caracterizan el contacto entre roca y útil de excavación son:

- La rigidez en la dirección normal: Función de la calidad del acero. - El coeficiente de fricción de Coulomb: Función del tipo de terreno y acero. - La constante de desgaste: Determinadas a partir de las pruebas controladas

de laboratorio. Los parámetros micro-estructurales mecánicos del terreno son calculados a partir de los parámetros macros-estructurales (Modulo de Young, Coeficiente de Poisson, Resistencia a Compresión y Tracción). Las oscilaciones de mayor frecuencia se disipan mediante un amortiguamiento adecuado en la interfaz de contacto entre las esferas que constituyen tanto la roca como el útil de excavación. También, se aplica un amortiguamiento viscoso global al sistema, de tal modo que se consiguen disminuir los modos de vibración de menor frecuencia.


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3.2.3. Simulaciones de las pruebas experimentales. El objetivo de realización de las pruebas experimentales de laboratorio es el de calibrar los modelos y determinar los parámetros de desgaste necesarios para simular con posterioridad las pruebas de campo. La determinación de estos parámetros permitirá en un futuro realizar estudios de diseños de nuevos tipos de herramientas de corte, además de permitir realizar estudios de desgastes. 3.2.3.1. Ensayo ZFS

Figura 32: Simulación de las pruebas experimentales.

Figura 33: Desplazamientos de la herramienta de corte y de la losa de terreno.


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Los resultados de estas simulaciones se reflejan en la figura 34:

Figura 34: Simulación con el acero MET-91 y comparación con los ensayos de laboratorio.


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Relación entre % de Perdida de Masa y Tiempo

Desg = -2E-07t4 + 4E-06t3 + 2E-06t2 - 0.0001tR2 = 0.9956

0,0000%

0,0500%

0,1000%

0,1500%

0,2000%

0,2500%

0,3000%

0,3500%

0,4000%

0,4500%

0,5000%

0,5500%

0,6000%

0,6500%

0,7000%

0,7500%

0,8000%

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21Tiempo (minutos)

% d

e Pe

rdid

a de

Mas

a

MET-91 (prueba 2)

MET-91 (prueba 3)

Simulación MET-91

Polinómica (Simulación MET-91)


Relación entre % de Perdida de Masa y Tiempo

% Desg. = -3E-07t4 + 1E-05t3 - 9E-05t2 + 0.0003tR2 = 0.9909

0,0000%

0,0500%

0,1000%

0,1500%

0,2000%

0,2500%

0,3000%

0,3500%

0,4000%

0,4500%

0,5000%

0,5500%

0,6000%

0,6500%

0,7000%

0,7500%

0,8000%

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21Tiempo (minutos)

% d

e Pe

rdid

a de

Mas

a

MET-71 (prueba 4)

Simulación MET 71

Polinómica (Simulación MET 71)



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Las figuras anteriores reflejan la coincidencia entre los ensayos experimentales realizados con un control estrito de varias variables y las simulaciones numéricas. Además se ilustra un análisis de ajuste de tendencia del desgaste producido en la herramienta de corte. En las figuras anteriores se observa que existe una fase del desgaste que no ha sido captada por los ensayos a nivel de laboratorio. En la primera fase de desgaste el área de contacto o área de desgaste en la dirección normal al eje de simetría de la herramienta de corte es muy pequeña y en los inicios del ensayo el desgaste ocurre muy lentamente. Después de trascurrido un tiempo determinado el área de contacto o desgaste aumenta progresivamente y esto provoca que se acelere el desgaste progresivamente. Este aspecto provoca que la perdida de masa en los inicios del procesos de desgaste sea muy pequeña y a partir de que el área de desgaste tiene unas dimensiones determinadas aumenta progresivamente la perdida de masa de la herramienta de corte.

Figura 37: Desgaste de las herramientas de corte durante la simulación de las pruebas experimentales. En la figura anterior se ilustra el desgaste de las herramientas de corte utilizadas la simulación de los ensayos experimentales. Observando detalladamente las tres configuraciones de las herramientas de corte, las cuales son el resultado del desgaste producido durante la simulación, se puede justificar porque en la fase inicial de las simulaciones experimentales el desgaste ocurre más lentamente. La configuración geométrica de la herramienta de corte presenta una zona de desgaste muy pequeña que propicia en el inicio de las simulaciones un desgaste muy pequeño. Después de desgastarse esta zona el desgaste en la herramienta de corte aumenta aceleradamente.

Figura 38: Zona de la herramienta de corte que presenta una pequeña área de desgaste al inicio de la simulación y del ensayo experimental

Zona de desgaste pequeño al inicio del ensayo y de la simulación


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3.2.3.2. Ensayo de Salami. La simulación del ensayo de Salami consiste en reproducir el ensayo de laboratorio realizado mediante el equipo del mismo nombre. El modelo numérico propuesto consta de la cuchilla y el suelo, ambos discretizados mediante elementos bidimensionales (discos). El suelo es modelado del mismo modo en todos los ensayos de los diferentes apartados de los que constan todos los ensayos y estudios realizados en el presente trabajo. La herramienta de corte se mueve de modo análogo al ensayo realizado en el laboratorio. El ensayo de Salami fue simulado usando una configuración vertical de la cuchilla MG5V modelado con elementos discretos. Tal y como se apunta anteriormente, el ensayo consiste en pasar el diente de corte por encima del suelo 6 veces. En la figura 39 se observa el equipo utilizado y la configuración utilizada en la simulación numérica del mismo.

Figura 39: Ensayo de Salami. Maquinaria de laboratorio y configuración de la simulación. El tiempo de cálculo en el ordenador se completa con 6 pasadas del útil sobre el suelo durante unas 32 horas, utilizando un PENTIUM IV a 800Mhz con 500 Mb de memoria. En la figura 40 se muestra el paso del diente sobre el material con el que fricciona el corte. Se observa que los valores numéricos obtenidos mediante simulación tienen una coincidencia cualitativa con los registrados en el ensayo real de laboratorio. La figura 41 muestra los efectos del desgaste en la herramienta de corte. Dicho efecto se muestra con detalle en la figura 42.


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Figura 40 Ensayo de Salami. Cuatro estados de la primera pasada.

Figura 41. Configuración inicial del diente de corte y evolución de mismo en los diferentes estados de

desgaste.

Figura 42. Detalle de la herramienta interaccionando con el suelo.


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La figura 43 muestra los resultados obtenidos de la simulación. Asimismo se compara también con el resultado obtenido de los ensayos de laboratirio obtenido mediante el equipo de Salami. Se puede observar como las curvas obtenidas por ambos métodos tienen un comportamiento muy similar, y se observa como al inicio los resultados si que se diferencian minimamente, cosa totalmente lógica por las dispersiones que se producen al principio al entrar la cuchilla en el suelo. También se define una regresión de los datos obtenidos. El valor obtenido de escala para el tiempo es 813 para la herramienta MET71 y 864 para la herramienta MET91 . El coeficiente proporcional k obtenido es 5.20e-9 para la herramienta MET71 y 4.90e-9 para la herramienta MET91.

Figura 43: Desgaste observado en el laboratorio y la simulación.

Figura 44: Detalle del desgaste durante el proceso de simulación

Perd

ida

mas

a %

Tiempo (segundos)

Prueba Simulación Regresion


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3.3. Ensayos de desgaste a nivel de campo.

Después de haber realizado los ensayos de desgaste a nivel de laboratorio se realizaron diversas pruebas de campo. Estos ensayos se realizaron en diferente maquinaria:

• Buldózer.

• Excavadora.

• Retroexcavadora

En los ensayos de campo realizados, se seleccionan un grupo de maquinas trabajando en diferentes tipos de terrenos. Como es lógico a estas maquinas se le colocan herramientas de corte conformados con diferentes aceros. Este estudio de campo permite conocer el comportamiento de las diferentes calidades de aceros en diversos tipos de terreno.

Midiendo la pérdida de masa que se produce en el útil de corte en unos tiempos determinados, se puede determinar el nivel de desgaste que se produce en la herramienta. Se tiene por lo tanto una valoración real del desgaste que se produce en diferentes herramientas de corte, las cuales se caracterizan principalmente por geometría, y por la calidad del acero en el cual se fabrica.

De este modo se permite optimizar diseños posteriores de los mencionados útiles, con el objetivo de obviamente disminuir el grado de desgaste que se produce en ellos, es decir, alargar la vida útil del mismo, y obtener mayores rendimientos de trabajo en conjunto con la maquinaria para la cual se diseña el diente de corte.

Para poder realizar multitud de ensayos y pruebas diseños presentes y futuros, es frecuente en el mundo de la ingeniería utilizar simulaciones numéricas de dichos problemas, y solucionar así de un modo virtual, el problema, sin necesidad de hacer numerosos ensayos reales de gran coste económico. Por lo tanto es este caso, con posterioridad a estas pruebas de campo, se realizan ensayos numéricos, los cuales tratan de reproducir el ensayos real, asignando las propiedades correctas a los materiales, y con las acciones mecánicas pertinentes. De este modo, podemos comparar los resultados reales obtenidos, con los procedentes de la simulación. Igualmente, si los resultados son satisfactorios, se puede aplicar la técnica de la simulación numérica para el estudio de numerosos diseños de útiles, para estudiar el comportamiento frente al desgaste.


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3.3.1. Buldózer (Riper).

La herramienta de corte estudiada en el caso del buldózer fue el riper. En este estudio se tuvo un control estricto de tiempo de operación de la maquina y del tipo de terreno donde operaba. La forma de trabajo de este tipo de maquina es un poco peculiar y la misma se refleja en la figura siguiente:

Figura 45: Buldózer operando con el riper.

Como variables de respuesta (variables de investigación) en este ensayo de campo se tiene la pérdida de masa de la herramienta de corte. Este estudio se realiza de forma discreta. Después de transcurrido un determinado tiempo de operación de la maquina se desmontaban la herramienta de corte y se pesaba con una balanza de excelente precisión. Esta operación se ejecuto en repetidas ocasiones hasta que las herramientas de corte tenían que ser cambiadas porque ya presentaban un desgaste muy marcado. Esta estudio se realizó con herramientas de cortes de diferentes calidades de aceros.


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Los resultados obtenidos de las pruebas de campo se reflejan en la tabla 5 y se visualizan en la grafica nº 46:

Tabla 4: Resultados del estudio de campo en el riper.

Relación entre porciento de Perdida de Masa y Tiempo

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Tiempo

% d

e Pe

rdid

a de

Mas

a

MR45A - MET 71

MR45A - MET91

MR45A - DURAMET 1

MR45A - Steel B

MR45A - MET 71

MR45A - Steel D

Figura 46: Resultados del estudio de campo en el riper.

MR45A - MET91 Tiempo % Masa Perdida

0 0 433 0,040615454 891 0,11707554

1393 0,280523458

MR45A - MET 71 Tiempo % Masa Perdida

0 0 438 0,059992983 880 0,145746429

1355 0,362392905

MR45A - DURAMET 1 Tiempo % Masa Perdida

0 0 439 0,09092023 866 0,184854937 1215 0,330593334

MR45A - Steel B Tiempo % Masa Perdida

0 0 419 0,056148166 848 0,07839617 1277 0,163781968 1570 0,311308398

MR45A - MET 71 Tiempo % Masa Perdida

0 0 405 0,039278741 821 0,062338577 1249 0,13552516 1563 0,214467857

MR45A - Steel D Tiempo % Masa Perd

0 0 425 0,028263047 841 0,132059292

1255 0,232626384 1567 0,284185659


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En la grafica de la figura 46 se puede apreciar la dispersión que presentan los resultados del % de perdía en función del tiempo de operación del equipo empleando riper de diferentes calidades de aceros. Este estudio de campo permitió conocer el comportamiento y la resistencia al desgaste del riper conformado por diferentes tipos de aceros. El MR45A-DURAMET1 según los resultados que se ilustran en la grafica anterior es el que menor resistencia al desgaste presenta. 3.3.2. Cargadora

La cargadora es otro de los equipos estudiados. En este caso se investiga la resistencia al desgaste de las herramientas de corte de este equipo. Para realizar este estudio se ubicaron varias cargadoras a trabajar en diferentes tipos de terrenos. De forma análoga al estudio del riper se realizaron estudios de resistencia al desgaste de diferentes calidades de aceros. Primeramente se estableció una metodología de trabajo para la investigación del desgaste en este tipo de maquina. Esto permitió clasificar los tipos de desgaste que presenta esta herramienta de corte.

Figura 47: Cargadora y herramental de corte de este tipo de maquina.

Como primera tarea de investigación se estudio la forma de operación de este equipo, permitiendo esto identificar en cada paso de operación que manifestación de desgaste se


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presentaba en la herramienta de corte. Este aspecto permitió precisar que durante el avance lineal de la maquina el principal desgaste que presenta la misma se localiza en la parte inferior de la herramienta de corte. En una segunda fase, es decir en el movimiento rotatorio se manifiesta el desgaste de la herramienta de corte por su parte frontal. Estos dos tipos de desgastes que presentan este tipo de herramienta de corte es el que produce la perdida de masa y propicia el cambio de geometría de la misma en la medida que transcurre el tiempo de operación del equipo.

En este estudio se tuvo un control estricto de tiempo de operación de la maquina y del tipo de terreno donde operaba. Como variables de respuesta (variables de investigación) en este ensayo de campo, al igual que el anterior, se disponía de la perdida de masa de la herramienta de corte. Este estudio se realizo de forma discreta. Después de transcurrido un determinado tiempo de operación de la cargadora se desmontaban la herramienta de corte y se pesaba con una balanza para tener una medida de masa. Esta operación se ejecuto en repetidas ocasiones hasta que las herramientas de corte tenían que ser sustituida porque ya presentaban un desgaste muy marcado.

De forma ilustrativa se representa en la figura siguiente uno de los estudios campos realizados :

Figura 48: Estudio de resistencia al desgaste de la herramienta de corte de la cargadora.


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CARGADORA

PRUEBA 1 -- Acero MET 71 test 3

tiempo peso Perdida peso % pérdida peso

[minutos] [Kg] [Kg] 0 16,64 0 0

3960 13,8288 2,81125 0,203290247 8040 11,45 5,19 0,453275109

PRUEBA 2 -- Acero DURAMET-1 test 4

tiempo peso Perdida peso % pérdida peso [minutos] [Kg] [Kg]

0 16,64 0 0 3900 14,005 2,635 0,158353365

10500 10,405 6,235 0,374699519



0 16,64 0 0 5940 13,2138 3,42625 0,205904447

14160 9,48125 7,15875 0,430213341

PRUEBA 4 -- Acero DURAMET-2B test 8


0 16,64 0 0 4440 14,665 1,975 0,118689904

12900 9,525 7,115 0,427584135

Tabla 6: Datos de campo del desgaste de los útiles de corte en la cargadora


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Figura 49: Resultados de los ensayos de campo de la cargadora En el caso de este equipo los resultados de campo obtenidos fueron muy pocos ya que las curvas reflejadas en la figura anterior solo presentan dos tres pares de puntos % de perdida de masa vs tiempo. Este aspecto limito hasta cierto punto el estudio de simulación llevado a cabo con posterioridad. Como se puede observar en la figura la herramienta de corte conformada con acero DURAMET-2B es la que mayor resistencia al desgaste presenta. El MET91 y DURAMET-1 presentan resistencias al desgaste muy similares y por su parte el MET-71 es el que mayor perdida de masa presenta.

CARGADORARelación entre porciento de Perdida de Masa y Tiempo

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

Tiempo (minutos)

% d

e Pe

rdid

a de

Mas

a

MET-71 test 3DURAMET-1 test 4MET-91 test 5DURAMET-2B test 8-Arenisca


_________________________________ 78 ______________________________

3.3.3. Retroexcavadora

Otro de los equipos estudiados fue la retroexcavadora. En este caso de forma análoga también se estudio la resistencia al desgaste de la herramienta de corte. Primeramente se estudio la forma de operación de la maquina y los tipos de desgaste que presentaba la herramienta de corte.

Figura 50: Retroexcavadora. Estudio de campo. En este estudio se ubicaron varias retroexcavadora a trabajar en diferentes tipos de terrenos. En este caso se realizaron estudios de resistencia al desgaste de diferentes calidades de aceros, con los cuales fueron conformados las herramientas de corte.

Como parte de la investigación se estableció una metodología de trabajo para el estudio del desgaste en este tipo de máquina. Esto permitió clasificar los tipos de desgaste que presenta esta herramienta de corte.


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En este estudio se tuvo un control del tiempo de operación de la maquina y del tipo de terreno donde operaba. Como variables de estudio (variables de investigación) en este ensayo de campo, se tenia la perdida de masa de la herramienta de corte. Esta investigación relacionada con la resistencia al desgaste se realizo de forma discreta. Después de transcurrido un determinado tiempo de operación de la retroexcavadora se desmontaban la herramienta de corte y se pesaba con una balanza para tener una medida la resistencia al desgaste. Esta operación se ejecuto en repetidas ocasiones hasta que las herramientas de corte tenían que ser sustituida porque ya presentaban un desgaste muy marcado. Los resultados de algunas de estas pruebas de campo se ilustran a continuación:

RETROEXCAVADORA



0 28,4 0 01020 26,05 2,35 0,0902111321860 24,17 4,23 0,175010343

PRUEBA 2 -- Acero MET-91 test 4


0 28,72 0 01200 25,85 2,87 0,1724759622400 23,03 5,69 0,341947115

Tabla 7: Resistencia al desgaste de la herramieta de corte de la retroexcavadora.


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Figura 51: Resultados del estudio de resistencia al desgaste de la herramieta de corte de la retroexcavadora.

En este estudio de campo los resultados fueron muy pocos primeramente por la variedad de terreno y segundo porque la cantidad de puntos de perdida de masa vs tiempo solo fueron dos. Esta aspecto limito considerablemente el estudio de simulación realizado con posterioridad.

RETRO-EXCAVADORARelación entre porciento de Perdida de Masa y Tiempo

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Tiempo (minutos)

% d

e Pe

rdid

a de

Mas

a

MET-91 test 1MET-91 test 4


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3.4. Simulaciones de las pruebas de campo La simulación numérica se realiza al igual que los ensayos experimentales de campo, con diferente maquinaria de obra civil. Cada equipo lleva intrínseco unas herramientas o útiles de corte. La maquinaria cuyos útiles han sido simulados son las siguientes:

• Buldózer. • Cargadora. • Retroexcavadora.

3.4.1. Metodología para realizar la simulación de desgaste. En primer lugar, se excava el material durante un breve periodo de tiempo. De tal modo no se someterá al útil a las altas fuerzas de contacto que se producen inicialmente al romper el material. La configuración final de los elementos o esferas de esta primera etapa de desgaste se usará en etapas sucesivas. Se retrocede el útil de excavación y sigue excavando el material ya fracturado. La razón de ser de este procedimiento es el alto coste computacional que supondría tener una probeta de esferas excesivamente grande para llegar a un desgaste considerable del útil de excavación, a pesar de haber acelerado el desgaste del mismo. 3.4.2. Parámetros termo-mecánicos y de desgaste para la realización de las simulaciones. Las partículas que forman el útil de excavación y el terreno han sido generadas de forma aleatoria. Las características micro-estructurales de los aceros y de los diferentes tipos de terrenos han sido calculadas previamente. Las oscilaciones de mayor frecuencia se disipan mediante un amortiguamiento adecuado en la interfaz de contacto entre las esferas que constituyen tanto la roca como el útil de excavación. También, se aplica un amortiguamiento viscoso global al sistema, de tal modo que se consiguen disminuir los modos de vibración de menor frecuencia. Los parámetros constitutivos que caracterizan el contacto entre roca y útil de excavación son:

• La rigidez en la dirección normal: Función de la calidad del acero. • El coeficiente de fricción de Coulomb: Función del tipo de terreno y acero. • La constante de desgaste: Determinadas a partir de las pruebas controladas de

laboratorio. Los parámetros micro-estructurales mecánicos del terreno son calculados a partir de los parámetros macros-estructurales (Modulo de Young, Coeficiente de Poisson, Resistencia a Compresión y Tracción).


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Tabla 8: Valores de la rigidez normal y tangencial para distintos materiales.

Material E Poisson Kn-comp Kt KntraccN/m^2 N/m^2 N/m^2 N/m^2

Aleación de Aluminio 7.100E+10 0.33 1.883818E+11 8.913391E+09 1.467376E+11Aleación de cobre al berilio 1.240E+11 0.29 2.692021E+11 3.584297E+10 2.096916E+11Laton 1.060E+11 0.32 2.690484E+11 1.608617E+10 2.095719E+11Acero al carbono 2.070E+11 0.29 4.613743E+11 5.381191E+10 3.593817E+11Fundición de Hierro Gris 1.000E+11 0.21 1.703391E+11 7.404187E+10 1.326835E+11Cobre 1.190E+11 0.33 3.046877E+11 1.740298E+10 2.373327E+11Fibra de Asbesto-Douglas 1.100E+10 0.33 2.866606E+10 1.491885E+09 2.232907E+10Vidrio 4.620E+10 0.25 8.733979E+10 2.301148E+10 6.803224E+10Inconel 2.140E+11 0.29 4.733707E+11 5.736543E+10 3.687262E+11Magnecium 4.480E+10 0.35 1.281630E+11 4.042958E+09 9.983093E+10Molideno 3.310E+11 0.31 7.824521E+11 6.764858E+10 6.094813E+11Aleación de Metal Mone 1.790E+11 0.32 4.465890E+11 2.921257E+10 3.478649E+11Aleación de Niquel Plata 1.270E+11 0.32 3.195784E+11 1.999075E+10 2.489316E+11Aleación de Acero Niquel 2.070E+11 0.29 4.596238E+11 5.464612E+10 3.580182E+11Bronce Fosforico 1.110E+11 0.35 3.160019E+11 1.023692E+10 2.461457E+11Acero Inoxidable 1.900E+11 0.31 4.455424E+11 4.014202E+10 3.470497E+11Andesita (bajo) 1.200E+10 0.21 2.038137E+10 8.982496E+09 1.587581E+10Andesita (alto) 4.800E+10 0.32 1.197557E+11 7.833537E+09 9.328221E+10Arenisca (bajo) 2.500E+09 0.05 2.899677E+09 7.409201E+09 2.258667E+09Arenisca (alto) 6.100E+10 0.38 2.044962E+11 2.642299E+09 1.592898E+11Basalto (alto) 3.000E+10 0.14 4.235003E+10 4.432364E+10 3.298803E+10Basalto (bajo) 9.000E+10 0.20 1.485492E+11 7.497681E+10 1.157105E+11Caliza (bajo) 2.800E+09 0.08 3.452936E+09 6.695106E+09 2.689622E+09Caliza (alto) 1.300E+11 0.31 3.110770E+11 2.526120E+10 2.423095E+11Creta (bajo) 4.100E+07 0.18 6.405910E+07 4.185549E+07 4.989803E+07Creta (alto) 6.800E+09 0.27 1.398455E+10 2.438549E+09 1.089309E+10Diabasa (bajo) 6.200E+10 0.13 8.446723E+10 1.040842E+11 6.579469E+10Diabasa (alto) 1.100E+11 0.20 1.815601E+11 9.163832E+10 1.414240E+11Dolomía (bajo) 9.600E+09 0.02 1.050988E+10 3.476438E+10 8.186542E+09Dolomía (alto) 1.100E+11 0.20 1.815601E+11 9.163832E+10 1.414240E+11Esquisto (bajo) 7.000E+09 0.02 7.663456E+09 2.534903E+10 5.969354E+09Esquisto (alto) 8.000E+10 0.20 1.320437E+11 6.664605E+10 1.028538E+11Fonolita (alto) 1.000E+10 0.11 1.316408E+10 1.897670E+10 1.025399E+10Fonolita (bajo) 2.500E+10 0.20 4.126366E+10 2.082689E+10 3.214181E+10Grabo (alto) 6.000E+10 0.13 8.174248E+10 1.007267E+11 6.367228E+10Grabo (bajo) 1.000E+11 0.20 1.650546E+11 8.330756E+10 1.285672E+11Gneiss (alto) 2.200E+10 0.09 2.771420E+10 4.879883E+10 2.158763E+10Gneiss (bajo) 8.100E+10 0.34 2.209240E+11 9.021826E+09 1.720860E+11Granito (alto) 3.900E+09 0.13 5.313261E+09 6.547235E+09 4.138698E+09Granito (bajo) 8.900E+10 0.26 1.768196E+11 3.655501E+10 1.377314E+11Marmol (alto) 2.400E+10 0.11 3.159379E+10 4.554407E+10 2.460959E+10Marmol (bajo) 8.300E+10 0.20 1.369953E+11 6.914528E+10 1.067108E+11Porfido sienítico (alto) 6.600E+10 0.21 1.120975E+11 4.940373E+10 8.731697E+10Riolita (alto) 1.000E+10 0.10 1.287449E+10 2.053722E+10 1.002842E+10Riolita (bajo) 2.000E+10 0.20 3.301093E+10 1.666151E+10 2.571345E+10Yeso -roca- (alto) 5.400E+09 0.22 9.445745E+09 3.617762E+09 7.357645E+09Yeso -roca- (bajo) 3.500E+10 0.31 8.375149E+10 6.801092E+09 6.523718E+10


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3.4.3. Simulaciones númericas de la maquinaria. 3.4.3.1. Simulaciones del Buldózer. En los estudios de desgaste que presenta la herramienta de corte del buldózer, se han realizado varias simulaciones en diferentes tipos de terrenos. Primeramente se realizaron simulaciones en terrenos medianamente duros y con posterioridad se efectuaron en dos terreno muy duros. Este estudio permitió validar la formulación realizada y además posibilito verificar la diferencias existentes entre el desgaste de la herramienta de corte en diferentes tipos de terrenos.

Figura 52: Diente real del riper y modelo discreto para la simulación Las figuras siguientes ilustran el proceso de simulación y desgaste de la herramienta de corte en el caso de buldózer.

Figura 53: Simulación de desgastes de la herramienta de corte del buldózer


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Tal y como se observa, en la figura anterior, cuando la herramienta de corte entra en el suelo, y procede al corte, se produce una rotura de los contactos entre esferas, que en conjunto, forma la rotura total del suelo. Tambien se observa la distribución de desplazamientos en la según la dirección del eje X para dos instantes de tiempo distintos. Durante el proceso de ejecución de la simulación el útil de corte se desgasta y van cambiado de forma progresiva sus configuración geometría. Este aspecto propicia la pérdida de masa y determina después de cierto tiempo el cambio de la herramienta de corte. El desgaste del útil de corte del buldózer obtenido a través del proceso de simulación es reflejado en la figura siguiente:

Figura 54: Desgastes de la herramienta de corte del buldózer.

En la siguiente figura puede observarse la fase de evolución del desgaste del útil para distintos instantes de tiempo así como su configuración inicial, y la deformación del suelo y posición del útil para dichos instantes.


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Figura 55: Fases de desgaste de la herramienta de corte del buldózer. Durante el estudio del desgaste de la herramienta de corte del buldózer se analizaron diferentes configuraciones geométricas de este útil de corte. En la figura siguientes se ilustran imágenes de estas simulaciones numéricas.

t = 0s t = 0.2 s

t = 0.4 s t = 0.6 s

t = 0.8 s t = 1.0 s


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Figura 56: Simulación de desgaste de otra geometría de herramienta de corte del buldózer.

Figura 57: Proceso de corte y falla del terreno durante la simulación del desgaste de la herramienta de corte del buldózer.


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3.4.3.1.1. Desgaste del diente MR45A-MET91 y material arenisca

Figura 58: Estudio comparativo entre los resultados de la simulación y la prueba de campo. En la figura 58 se reflejan los resultados obtenidos en la simulación y su comparación con las pruebas de campo. El ensayo cuyo resultado se grafica está realizado en una arenisca y con un útil de corte MR45A-MET91. Los ensayos de campo has sido realizados todos en material arenisca, con diferentes dientes de corte, tal y como se muestra en el apartado de los ensayos de campo. En cambio los ensayos numéricos han sido realizado todos con un único útil de corte (MR45A-MET91) pero aplicando a diferentes materiales. En total se ha aplicado a 5 materiales distintos como son la arenisca, la toba, la traquita, el granito y el marmol. La conjunción de los ensayos de campo y numéricos, hace tener una configuración igual para el ensayo de campo y para la simulación numérica. Dicha configuración es la del diente MR45A-MET91 sobre material arenisca. Los resultados obtenidos para dicho ensayos muestra un excelente comportamiento del modelo para evaluar el desgaste, puesto que los valores son muy similares a los reales con la maquina operando en el frente.


_________________________________ 88 ______________________________

3.4.3.1.2. Desgaste del diente MR45A-MET91 en diferentes materiales Se obtiene por lo tanto resultados del estudio del desgaste de la herramienta de corte del buldózer (ripper) mediante la simulación del mismo en terrenos donde no se realizaron pruebas de campo. Primeramente se estudio el fenómeno en terrenos medianamente duros y con posterioridad en terrenos muy duros. Los resultados de estas simulaciones se reflejan en las figuras siguientes:

Figura 59: Resultados de la simulación del desgaste en terrenos medianamente duros. Los resultados obtenidos mediante simulación de los diferentes materiales considerados como medianamente duros muestra de modo cualitativo como el comportamiento del útil para los tres materiales es significativamente similar. Se observa tambien como la arenisca presenta un grado algo mayor de abrasión sobre la herramienta que los otros dos materiales, aunque puede considerarse como algo insignificante


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Figura 60: Estudio comparativo del desgastes en diferentes tipos de terreno. Figura 61: Detalle de las diferentes fases de desgaste a lo largo del tiempo en el diente MR45A-MET91.


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El análisis para materiales a excavar muy duros como son el granito y el marmol, muestra como dichos materiales comportan un mayor desgaste en los útiles que los excavan. Se observa por lo tanto como materiales mas duros comportan un mayor desgaste de las herramientas, cosa que confirma el buen comportamiento del modelo expuesto para el estudio del fenómeno de desgaste. 3.4.3.1.3. Desgaste del diente MR45A-MET91 en diferentes materiales Un estudio similar al realizado en diferentes tipos de terrenos se ejecuto con diferentes calidades de aceros. Este aspecto se realizó con el objetivo de demostrar las sensibilidad del modelo ante la calidad y parámetros de desgaste de diferentes tipos de aceros. Los resultados de este estudio se reflejan en la figura siguiente:

Figura 62: Estudio comparativo de desgaste de diferentes tipos de aceros con parámetros de desgastes significativamente diferentes.

Se observa como para aceros mas duros como el acero de tipo I el desgaste es menor como era de esperar, y para aceros menos duros, el desgaste es mayor. Se puede concluir por lo tanto que el modelo propuesto es sensible a la calidad del acero utilizado, y que por lo tanto los resultados estan afectados de dicho material.


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3.4.3.2. Simulación de la cargadora. La herramienta de corte de la cargadora fue otro de los estudios de desgaste realizados. En este caso por la complejidad de los fenómenos tribológicos que presenta esta herramienta de corte fue necesario realizar un estudio puntual de su resistencia al desgaste. Como la forma de trabajo de este equipo tiene dos fases - primeramente un desplazamiento lineal y después un movimiento circunferencial – fue necesario en la simulación estudiar estos dos aspectos.

Figura 63: Implementos y herramientas de corte de la cargadora. En los estudios de desgaste que presenta la herramienta de corte de la cargadora, se han realizado varias simulaciones en diferentes tipos de terrenos. Primeramente se realizaron simulaciones en una arenisca y con posterioridad se efectuaron simulaciones otros dos terrenos: -toba y traquita-. Este estudio permitió validar la formulación realizada y además posibilito verificar la diferencias existentes entre el desgaste de la herramienta de corte en estos tres tipos de terrenos. Las figuras siguientes ilustran el proceso de simulación de la herramienta de corte en el caso de la cargadora:

Figura 64: Simulación del proceso de penetración de la cargadora.


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A continuación se muestra las distribuciones de desplazamientos en el suelo, a medida que el diente de corte entra en el terreno.

Figura 65: Desplazamientos de la herramienta de corte de la y del terreno. El diente utilizado en la cargadora, y por lo tanto analizado para el fenómeno de desgaste es el que se muestra a continuación. Se presenta la configuración inicial, así como varias configuraciones donde el diente ya se ha desgastado.

Figura 66: Desgaste de las herramientas de corte durante la simulación de cargadora.


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En la figura anterior también se muestra la cuchilla generada mediante los elementos discretos de discos preparada para utilizarla en la simulación numérica. A continuación se muestra las diferentes fases desgaste de la cuchilla durante el proceso de corte.

Figura 67: Fases de la simulación de desgaste de la herramienta de corte de la cargadora.


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Relación entre % de Pérdida de Masa Vs Tiempo

0%

10%

20%

30%

40%

50%

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

Tiempo (minutos)

% d

e Pe

rdid

a de

Mas

a

DURAMET-2Bsimulacion Areniscasimulacion en traquitasimulacion toba

Figura 68: Resultados de desgaste de la simulación de la cargadora en tres tipos de terrenos. En las figuras anteriores se ilustran los resultados obtenidos en las simulaciones de desgaste de la cargadora. En ellas se evidencia la correspondencia entre los ensayos de campo realizado en una arenisca y las simulaciones. Adicionalmente se grafican otros resultados de desgaste obtenidos en otros tipos de terrenos como son la traquita y la toba.

Figura 69: Cargadora trabajando durante las pruebas de campo.


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3.4.3.2 Retroexcavadora. El desgaste de la herramienta de corte de la retroexcavadora también fue estudiado mediante la simulación numérica. En este caso primeramente se investigó la resistencia al desgaste de esta herramienta de corte en una arenisca. Finalmente se realizaron dos simulaciones más en otros tipos de terrenos. Antes de comenzar el estudio se investigó en detalles la forma de trabajar de este equipo. La finalidad de esta investigación fue conocer como se efectuaba el desgaste y cual era la ecuación de movimiento que desarrolla la herramienta de corte durante el proceso trabajo del equipo.

Figura 70: Retroexcavadora operando.

Figura 71: Herramientas de corte de la retroexcavadora en diferentes estados de desate. Resultados de las pruebas de campo y Simulación.


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Figura 72: Simulación del corte del diente de la retroexcavadora en el suelo A continuación se muestra la distribución de desplazamientos según la dirección del eje X en un determinado instante de tiempo, durante el proceso de corte de la cuchilla de la retroexcavadora. Puede observarse como en la zona de contacto con el útil, los desplazamientos se produce en la dirección del mismo, y en las zonas alejadas, el desplazamiento es en sentido contrario.

Figura 72: Distribución de desplazamientos en el suelo según la dirección X.


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Igualmente, se puede graficar tambien la distribución de desplazamientos según la dirección del eje Y. Se observa como el terreno, que se situa por encima de útil de corte se desplaza en sentido positivo, mientras eque el terreno que se encuentra por debajo, se desplaza en sentido contrario. Es decir, la herramienta lo que está haciendo es el fenómeno de separar el suelo a través de su linea o eje de actuación.

Figura 73: Distribución de desplazamientos en el suelo según la dirección Y.

Figura 74: Desgaste del diente de corte de la retroexcavadora.


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El proceso de desgaste del diente, puede observarse en la figura anterior, en un detalle del mismo, extraído durante el proceso de corte.

Relación entre % de Pérdida de Masa Vs Tiempo

0,0%

2,5%

5,0%

7,5%

10,0%

12,5%

15,0%

17,5%

20,0%

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000Tiempo (minutos)

% d

e Pe

rdid

a de

Mas

a

MET-91"Simulación en Arenisca""Simulación en Traquita"Simulación de la Toba

Figura 75: Simulación y comparación con los resultados de las pruebas de campo. En la figuras anteriores se ilustran los resultados de las simulaciones y su comparación con los resultados de campo. Como se puede evidenciar existe total correspondencia entre los resultados de la simulación y los de campo, aspecto que permite validar la formulación numérica y su implementación computacional. Asimismo, la arenisca es el material, entre los tres, que produce sensiblemente un mayor desgaste en los útiles de corte, tal y como sucede con herramientas de maquinaria anteriores.

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CAPÍTULO III ESTUDIO DEL PROBLEMA DE … de maquinas (buldózer, cargadora y retroexcavadora) en diversos tipos de terrenos. El registro de los datos se hace de forma discreta de