UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DEL SISTEMA
HIDRÁULICO DE UNA CARGADORA FRONTAL
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
DIEGO FABRICIO TUFIÑO ARMAS
DIRECTOR: ING. ALEX GUZMÁN
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2016
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 0401620000
APELLIDO Y NOMBRES: TUFIÑO ARMAS DIEGO FABRICIO
DIRECCIÓN: SAN CARLOS
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 023401105
TELÉFONO MOVIL: 0995249711
DATOS DE LA OBRA
TITULO: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN
BANCO DEL SISTEMA HIDRÁULICO DE UNA CARGADORA FRONTAL
AUTOR O AUTORES: DIEGO FABRICIO TUFIÑO ARMAS
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN: 20/05/2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN: ING. ALEX GUZMÁN
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: INGENIERO AUTOMOTRIZ
RESUMEN: Mínimo 250 palabras Este proyecto se realizó mediante el diseño y construcción de un banco de un sistema hidráulico de una cargadora frontal teniendo como objetivo determinar los elementos de un sistema hidráulico y poder observar su funcionamiento en una escala menor de dicha maquinaria pesada.
El banco hidráulico se realizó como una herramienta de aprendizaje para estudiantes y profesionales de Ingeniería Automotriz en asignaturas como Hidráulica, Neumática y Equipo Pesado.
Primeramente, se realizó cálculos de momentos, esfuerzos, fuerzas, torsiones y factores de seguridad para determinar las especificaciones técnicas de cada uno de los elementos mecánicos del banco, como son los brazos, cucharón, soporte, pasadores y orejas; teniendo en cuenta como punto de inicio que la capacidad de carga del banco será de 160 lb.
Posteriormente, se calculó los parámetros de los elementos del sistema hidráulico como son, bomba, motor eléctrico, filtro, mangueras, cilindros hidráulicos, mando
hidráulico y el tanque presurizado para su selección correcta de los mismos y poder cargar el peso de 160 lb, que es la capacidad requerida a cargar, obteniendo como dato principal el galonaje de la bomba que es de 3 galones y una presión del sistema de 2500 PSI.
Para representar el diseño del banco del sistema hidráulico se utilizó el programa AutoCAD, donde se elaboró los planos de cada uno los elementos mecánicos del banco.
El siguiente paso fue la construcción de los elementos mecánicos, utilizando procesos de corte mediante pantógrafo para obtención de los brazos, procesos de corte con amoladora y suelda oxiacetilénica y procesos de soldadura con suelda eléctrica para la construcción del cucharón, procesos de corte con pantógrafo para las orejas y utilizando disco de desbaste con amoladora para realizar los acabados finales en todos los elementos mecánicos.
Construidos y seleccionados todos los elementos tanto del sistema mecánico como hidráulico se procedió al ensamblaje del banco, utilizando mangueras de succión y mangueras de presión de 3500 PSI que se unen mediante neplos o acoples a cada elemento del banco.
Finalmente se realizó la prueba de funcionamiento mediante pruebas de carga con diferentes pesos sobre el cucharón hasta llegar al peso objetivo de 160 lb; y realizando pruebas de presión, abriendo o cerrando la válvula reguladora de presión que se encuentra en el mando hidráulico, determinando la presión existente en el sistema mediante un manómetro. El objetivo de las diferentes pruebas era determinar posibles fallas en el sistema y comprobar el correcto funcionamiento de cada elemento del sistema mecánico, para evitar deformaciones en los mismos, y el correcto funcionamiento de los elementos del sistema hidráulico para evitar fugas de aceite o roturas de los mismos.
Como material adicional para la correcta operación del banco se realizó una guía de práctica, manual de uso y un manual de mantenimiento.
PALABRAS CLAVES: Bomba, mangueras, cilindros
ABSTRACT: This project was made by the design
aiming to determine the elements of a hydraulic system and observe its operation on a smaller scale of this heavy machinery.
The hydraulic bench was performed as a learning tool for students and professionals in Automotive Engineering subjects such as hydraulics, pneumatics and Heavy Equipment.
First, was made the calculations of moments, effort, forces, torques and safety factors to determine the technical specifications of each of the mechanical elements of the bench was made, such as dipper stick, dipper, support, pins and strain ears; taking into account as a starting point that the capacity of the bench will be 160 lb.
Subsequently, was calculated the parameters of the elements of the hydraulic system as are, pump, electric motor, filter, hoses, hydraulic cylinders, hydraulic control and pressurized tank, and be able to load the weight of 160 lb, which it is required to load capacity, obtaining this requirement with data as gallonage pump that is 3 gallons and a system pressure that is 2500 PSI. The program that was used to represent the design of the hydraulic system of the bench was AutoCAD program where the planes of the bench’s mechanical components were developed.
DEDICATORIA
Esta tesis se la dedico a mis padres por su amor,
esfuerzo, dedicación y apoyo en cada momento de mi
vida.
AGRADECIMIENTO
A Dios por darme la vida, bridarme siempre sus bendiciones y no
abandonarme en los momentos que más los necesitaba.
A mis padres por su gran esfuerzo para que pueda cumplir
siempre mis objetivos, sacrificándose cada momento por cada
uno de sus hijos y ser esa guía en mi vida.
A mis hermanos por estar siempre conmigo, apoyándome
siempre y ser esos amigos en quien confiar toda mi vida.
Al personal operativo de Talleres Reshima, en especial a mi tío
Guillermo Tufiño por recibirme en su taller brindándome sus
conocimientos, facilitarme equipos y herramientas para la
construcción de esta tesis y a mi primo Nelson Villagrán por su
gran ayuda y conocimientos para la realización de esta tesis.
Al Ing. Alex Guzmán por ser una guía en el desarrollo de este
trabajo, compartir sus conocimientos y no negarse nunca a
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ... xi
ABSTRACT ... xiii
1. INTRODUCCIÓN ... 25
2. MARCO TEÓRICO ... 3
2.1. HIDRÁULICA ... 3
2.2. PRINCIPIOS HIDRÁULICOS ... 3
2.2.1. PRINCIPIO DE PASCAL ... 3
2.2.2. PRINCIPIO DE BERNOULLI ... 4
2.2.3. PRINCIPIO DE CONTINUIDAD ... 6
2.3. SISTEMA HIDRÁULICO ... 7
2.3.1. TANQUE HIDRÁULICO ... 8
2.3.2. FILTRO HIDRÁULICO... 8
2.3.3. MOTOR ... 9
2.3.4. BOMBA HIDRÁULICA ... 11
2.3.4.1. BOMBA DE ENGRANAJES ... 11
2.3.4.2. BOMBA DE PALETAS ... 12
2.3.4.3. BOMBA DE PISTÓN ... 13
2.3.5. ELEMENTOS DE CONTROL ... 14
2.3.5.1. VÁLVULA DE CONTROL DIRECCIONAL ... 14
2.3.5.2. VÁLVULA REGULADORA DE CONTROL ... 15
2.3.5.3. VÁLVULA DE ALIVIO... 16
2.3.6. ACTUADORES HIDRÁULICOS ... 17
2.3.7. ELEMENTOS AUXILIARES ... 18
2.3.7.1. CAÑERÍAS ... 18
2.3.7.3. CAUDALÍMETRO ... 21
2.3.7.4. ACCIONAMIENTOS ... 22
2.4. SISTEMA MECÁNICO ... 23
2.4.1. BRAZOS ... 23
2.4.1.1. ESFUERZO ... 24
2.4.1.2. MOMENTO ... 24
2.4.1.3. INERCIA ... 24
2.4.1.4. ESFUERZO DE FLUENCIA ... 25
2.4.1.5. FACTOR DE SEGURIDAD DEL BRAZO ... 25
2.4.2. CUCHARÓN ... 26
2.4.2.1. TIEMPO DE CICLO ... 26
2.4.2.2. FACTOR DE LLENADO ... 26
2.4.2.3. CAPACIDAD NOMINAL DEL CUCHARÓN ... 27
2.4.2.4. CAPACIDAD TOTAL DEL CUCHARÓN ... 27
2.4.2.5. PESO A LEVANTAR ... 27
2.4.3. PASADOR ... 27
2.4.3.1. ESFUERZO CORTANTE ... 28
2.4.3.2. ESFUERZO ÚLTIMO AL CORTE ... 28
2.4.3.3. FACTOR DE SEGURIDAD DEL PASADOR ... 28
2.4.4. OREJAS ... 28
2.4.4.1. ESFUERZO DE APLASTAMIENTO ... 29
2.5. MAQUINARIA PESADA ... 29
2.5.1. CARGADORA FRONTAL ... 30
2.5.1.1. GENERALIDADES ... 31
2.5.1.2. CIRCUITO HIDRÁULICO DE UNA CARGADORA FRONTAL ... 32
2.5.1.3. CIRCUITO HIDRÁULICO DE CARGA DE MATERIAL ... 34
2.5.1.4. CIRCUITO HIDRÁULICO DE DESCARGA DE MATERIAL ... 35
2.5.1.5. CIRCUITO HIDRÁULICO DE ELEVACIÓN DEL CUCHARÓN .. 36
2.5.1.6. CIRCUITO HIDRÁULICO DE DESCENSO DEL CUCHARÓN .. 37
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 42
4.1. RESULTADO DE MÉTODO CUALITATIVO POR PUNTOS ... 42
4.2. DISEÑO DEL BANCO DEL SISTEMA HIDRÁULICO DE UNA CARGADORA FRONTAL ... 42
4.2.1. SELECCIÓN DE COMPONENTES PARA EL BANCO DEL SISTEMA HIDRÁULICO DE UNA CARGADORA FRONTAL ... 42
4.2.2. DISEÑO DEL DIAGRAMA HIDRÁULICO ... 43
4.2.3. SELECCCIÓN DEL SOPÓRTE DE ELEMENTOS DEL SISTEMA HIDRÁULICO ... 44
4.2.4. DISEÑO DEL CUCHARÓN ... 45
4.2.4.1. MATERIAL A CARGAR... 45
4.2.4.2. CAPACIDAD A CARGAR ... 45
4.2.4.3. TIEMPO DE CICLO ... 46
4.2.4.4. FACTOR DE LLENADO ... 46
4.2.4.5. CAPACIDAD NOMINAL DEL CUCHARÓN ... 46
4.2.4.6. CAPACIDAD TOTAL DEL CUCHARÓN ... 46
4.2.4.7. PESO A LEVANTAR ... 47
4.2.4.8. FORMA DEL CUCHARÓN ... 47
4.2.4.9. MATERIAL DE CUCHARÓN ... 48
4.2.4.10. PESO DEL CUCHARÓN ... 48
4.2.5. DISEÑO DE LOS BRAZOS ... 49
4.2.5.1. FORMA DE LOS BRAZOS ... 49
4.2.5.2. MATERIAL DE LOS BRAZOS ... 50
4.2.5.3. ESPESOR DE LOS BRAZOS ... 50
4.2.5.4. DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE, MOMENTO Y FUERZA ... 51
4.2.5.5. ESFUERZOS Y FACTOR DE SEGURIDAD ... 57
4.2.6. ESTRUCTURA DEL PASADOR ... 59
4.2.6.1. PASADOR DEL BRAZO MECÁNICO ... 59
4.2.6.2. PASADOR DEL CILINDRO HIDRÁULICO ... 60
4.2.6.3. PASADOR DEL CUCHARÓN ... 61
4.3. CÁLCULO PARA DETERMINAR ELEMENTOS DEL SISTEMA
HIDRÁULICO ... 64
4.3.1. CAUDAL DE LA BOMBA ... 64
4.3.2. CÁLCULO PARA DETERMINAR POTENCIA DEL MOTOR ... 65
4.3.3. CÁLCULO DE LA PRESIÓN REAL QUE SE GENERA EN EL SISTEMA... 65
4.3.4. CÁLCULOS DE LOS CILINDROS HIDRÁULICOS ... 66
4.3.4.1. FUERZA DE EMPUJE O ELEVACIÓN ... 66
4.3.4.2. FUERZA DE RETROCESO ... 67
4.3.4.3. CÁLCULO DE CILINDRADA ... 67
4.3.4.4. CÁLCULO DE ÁREA DE DESPLAZAMIENTO ... 68
4.3.4.5. VELOCIDAD MEDIA DE DESPLAZAMIENTO ... 69
4.4. CONSTRUCCIÓN Y SELECCIÓN DE COMPONENTES DEL BANCO DEL SISTEMA HIDRÁULICO DE UNA EXCAVADORA ... 69
4.4.1. TANQUE HIDRÁULICO ... 69
4.4.1.1. VOLUMEN DEL TANQUE ... 70
4.4.1.2. PESO DEL TANQUE ... 70
4.4.1.3. CONSTRUCCIÓN DEL TANQUE ... 71
4.4.2. BOMBA HIDRÁULICA ... 71
4.4.3. MOTOR ELÉCTRICO ... 72
4.4.4. ACOPLE ... 73
4.4.5. FILTRO ... 73
4.4.6. MANDO HIDRÁULICO ... 74
4.4.7. CILINDROS HIDRÁULICOS ... 74
4.4.8. MANGUERAS ... 75
4.4.9. BRAZOS ... 76
4.4.10. CUCHARÓN ... 76
4.4.11. ACEITE HIDRÁULICO ... 77
4.5. FUNCIONAMIENTO DEL BANCO DEL SISTEMA HIDRÁULICO DE UNA CARGADORA FRONTAL ... 78
4.6. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DEL BANCO DEL SISTEMA
HIDRÁULICO DE UNA CARGADORA FRONTAL ... 80
4.6.1. PRUEBA DE PRESIÓN ... 80
4.6.2. PRUEBA DE PESO DE LEVANTE ... 80
4.6.3. PRUEBA DE TIEMPO ... 81
4.6.4. PRUEBA DE DISTANCIA ... 81
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 83
5.1. CONCLUSIONES ... 83
5.2. RECOMENDACIONES ... 85
NOMENCLATURA O GLOSARIO ... 86
BIBLIOGRAFÍA ... 87
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Presiones de las cañerías según el material ... 20
Tabla 2. Accionamientos hidráulicos ... 23
Tabla 3. Método cualitativo por puntos. ... 42
Tabla 4. Densidad de materiales a cargar ... 45
Tabla 5. Especificaciones técnicas del aceite ISO 68 ... 77
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Aplicación del principio de Pascal ... 3
Figura 2. Principio de continuidad ... 7
Figura 3. Diagrama de un circuito hidráulico ... 7
Figura 4. Componentes de un tanque hidráulico... 8
Figura 5. Componentes de un filtro ... 9
Figura 6. Elementos de una bomba de engranajes ... 12
Figura 7. Funcionamiento de una bomba de paletas ... 13
Figura 8. Disimilitud de las bombas de pistones axial y radial ... 13
Figura 9. Válvula de 3 posiciones con su funcionamiento en fases ... 14
Figura 10. Bosquejo de una válvula reguladora ... 15
Figura 11. Elementos de una válvula de alivio ... 16
Figura 12. Funcionamiento de un actuador hidráulico ... 17
Figura 13. Cilindro o gato hidráulico con sus elementos principales ... 18
Figura 14. Capas de una cañería hidráulica ... 19
Figura 15. Tipos de cañerías... 19
Figura 16. Esquema de un manómetro con diafragma con sus partes ... 21
Figura 17. Representación gráfica de un caudalímetro hidráulico ... 22
Figura 18. Esquema de una cargadora frontal ... 30
Figura 19. Representación descarga frontal ... 31
Figura 20. Circuito hidráulico de una cargador frontal Caterpillar 994F ... 32
Figura 21. Circuito hidráulico en piloto de una cargadora frontal Caterpillar 994F ... 33
Figura 22. Circuito hidráulico de carga de una cargadora frontal Caterpillar 994F ... 34
Figura 23. Circuito hidráulico de descarga de una cargadora frontal Caterpillar 994F ... 35
Figura 25. Circuito hidráulico de descenso del cucharón de una
cargadora frontal Caterpillar 994F ... 37
Figura 26. Diseño de diagrama hidráulico de proyecto a realizar ... 43
Figura 27. Soporte de elementos del sistema hidráulico ... 44
Figura 28. Diseño del cucharón ... 47
Figura 29. Documentación en AutoCAD del diseño de los brazos ... 50
Figura 30. Representación en AutoCAD del espesor de los brazos junto con las orejas ... 51
Figura 31. Esquema del sistema mecánico ... 51
Figura 32. Diseño de las fuerzas existentes en el sistema mecánico ... 52
Figura 33. Diseño de ángulos del sistema mecánico ... 53
Figura 34. Diagrama de cuerpo libre del brazo mecánico ... 54
Figura 35. Corte transversal del brazo con sus respectivas fuerzas ... 55
Figura 36. Diagrama de cuerpo libre del brazo ... 56
Figura 37. Diagrama de fuerza con su esfuerzo máximo ... 56
Figura 38. Diagrama de momento con su momento máximo ... 57
Figura 39. Esquema del brazo en vista lateral ... 57
Figura 40. Esquema del pasador del brazo con sus respectivas fuerzas ... 59
Figura 41. Esquema del pasador del cilindro hidráulico ... 60
Figura 42. Esquema del pasador con la fuerza aplicada al mismo ... 61
Figura 43. Esquema del pasador que conecta el brazo con el cucharón .... 62
Figura 44. Fuerzas que ejercen en el pasador del cucharón ... 62
Figura 45. Esquema de las fuerzas que ejercen sobre las orejas ... 63
Figura 46. Soldando superficies del tanque hidráulica ... 71
Figura 47. Bomba de piñones de 3 GPM ... 72
Figura 48. Motor eléctrico trifásico ... 72
Figura 49. Acople ovejoy para el banco hidráulico ... 73
Figura 50. Filtro de aceite hidráulica con el acople para mangueras ... 73
Figura 51. Caja de válvulas de dos mandos ... 74
Figura 52. Trabajo de torno para construcción de cilindros hidráulicos ... 74
Figura 54. Mangueras de presión de 3500 PSI ... 75
Figura 55. Brazos del banco hidráulico en proceso de corte ... 76
Figura 56. Soldadura de planchas de hierro para armar el cucharón ... 76
Figura 57. Documentación en AutoCAD del diseño del cucharón ... 77
Figura 58. Vista lateral con acotaciones del banco ... 78
Figura 59. Vista lateral del banco con el cucharón levantado ... 78
Figura 60. Banco del sistema hidráulico en diseño real ... 79
Figura 61. Banco en diseño real con el cucharón levantado ... 79
Figura 62. Prueba de carga con 50 Kg sobre el cucharón ... 81
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO 1.
Simbología hidráulica ... 90
ANEXO 2. Manual de uso del equipo ... 96
ANEXO 3. Manual de Mantenimiento ... 98
ANEXO 4. Planos de construcción ... 101
RESUMEN
Este proyecto se realizó mediante el diseño y construcción de un banco de
un sistema hidráulico de una cargadora frontal teniendo como objetivo
determinar los elementos de un sistema hidráulico y poder observar su
funcionamiento en una escala menor de dicha maquinaria pesada.
El banco hidráulico se realizó como una herramienta de aprendizaje para
estudiantes y profesionales de Ingeniería Automotriz en asignaturas como
Hidráulica, Neumática y Equipo Pesado.
Primeramente, se realizó cálculos de momentos, esfuerzos, fuerzas,
torsiones y factores de seguridad para determinar las especificaciones
técnicas de cada uno de los elementos mecánicos del banco, como son los
brazos, cucharón, soporte, pasadores y orejas; teniendo en cuenta como
punto de inicio que la capacidad de carga del banco será de 160 lb.
Posteriormente, se calculó los parámetros de los elementos del sistema
hidráulico como son, bomba, motor eléctrico, filtro, mangueras, cilindros
hidráulicos, mando hidráulico y el tanque presurizado para su selección
correcta de los mismos y poder cargar el peso de 160 lb, que es la
capacidad requerida a cargar, obteniendo como dato principal el galonaje de
la bomba que es de 3 galones y una presión del sistema de 2500 PSI.
Para representar el diseño del banco del sistema hidráulico se utilizó el
programa AutoCAD, donde se elaboró los planos de cada uno los elementos
mecánicos del banco.
El siguiente paso fue la construcción de los elementos mecánicos, utilizando
procesos de corte mediante pantógrafo para obtención de los brazos,
procesos de corte con amoladora y suelda oxiacetilénica y procesos de
soldadura con suelda eléctrica para la construcción del cucharón, procesos
de corte con pantógrafo para las orejas y utilizando disco de desbaste con
amoladora para realizar los acabados finales en todos los elementos
mecánicos.
Construidos y seleccionados todos los elementos tanto del sistema
mangueras de succión y mangueras de presión de 3500 PSI que se unen
mediante neplos o acoples a cada elemento del banco.
Finalmente se realizó la prueba de funcionamiento mediante pruebas de
carga con diferentes pesos sobre el cucharón hasta llegar al peso objetivo
de 160 lb; y realizando pruebas de presión, abriendo o cerrando la válvula
reguladora de presión que se encuentra en el mando hidráulico,
determinando la presión existente en el sistema mediante un manómetro. El
objetivo de las diferentes pruebas era determinar posibles fallas en el
sistema y comprobar el correcto funcionamiento de cada elemento del
sistema mecánico, para evitar deformaciones en los mismos, y el correcto
funcionamiento de los elementos del sistema hidráulico para evitar fugas de
aceite o roturas de los mismos.
Como material adicional para la correcta operación del banco se realizó una
ABSTRACT
This project was made by the design and construction of a bench of a
hydraulic system of a front loader aiming to determine the elements of a
hydraulic system and observe its operation on a smaller scale of this heavy
machinery.
The hydraulic bench was performed as a learning tool for students and
professionals in Automotive Engineering subjects such as hydraulics,
pneumatics and Heavy Equipment.
First, was made the calculations of moments, effort, forces, torques and
safety factors to determine the technical specifications of each of the
mechanical elements of the bench was made, such as dipper stick, dipper,
support, pins and strain ears; taking into account as a starting point that the
capacity of the bench will be 160 lb.
Subsequently, was calculated the parameters of the elements of the
hydraulic system as are, pump, electric motor, filter, hoses, hydraulic
cylinders, hydraulic control and pressurized tank, and be able to load the
weight of 160 lb, which it is required to load capacity, obtaining this
requirement with data as gallonage pump that is 3 gallons and a system
pressure that is 2500 PSI.
The program that was used to represent the design of the hydraulic system of the bench was AutoCAD program where the planes of the bench’s
mechanical components were developed.
The next step was the construction of mechanical components, using cutting
processes through pantograph to obtain the dipper stick, using cutting
processes with grinder and welding processes with electric welded and
welding oxyacetylene for construction of the dipper, cutting processes with
pantograph to obtain strain ears and, using grinding disc with grinder to make
the finishing touches on all mechanical elements.
Constructed and selected all the elements of the mechanical system and
hoses and hose pressure of 3500 PSI that are joined by couplings to each
element of the bench.
Finally the test run was performed using load tests with different weights on
the bucket to reach the target weight of 160 lb; and performing pressure
tests, opening or closing the pressure control valve located in the hydraulic
control, determining the pressure in the system using a manometer. The aim
of the different tests was to determine possible failures in the system and
check the correct operation of each element of the mechanical system, to
avoid distortions in them, and the proper functioning of the elements of the
hydraulic system to prevent oil leaks or breaks the same.
As additional material for the correct operation of the bench, was performed a
1. INTRODUCCIÓN
Actualmente la Ingeniería Automotriz tiene diferentes ramas y
especializaciones que hacen que el campo laboral de la misma sea muy
amplio. Una de estas especializaciones es la maquinaria pesada, un campo
laboral que crece de manera rápida en nuestro país debido a grandes
proyectos y campos operacionales por parte de la empresa pública y privada
en minería, petróleos y construcción donde la utilización de maquinaria
pesada es indispensable.
Hoy en día existe una gran variedad de maquinaria pesada que hace fácil el
trabajo en dichos campos operacionales y una maquinaria que se destaca
en el campo de equipo pesado es la cargadora frontal, que realiza trabajos
de carga, acarreo y excavación, creando soluciones modernas a problemas
de carga de material aumentando la producción y reduciendo costos al
momento de realizar dicho trabajo.
El objetivo principal de este proyecto fue diseñar y construir un banco del
sistema hidráulico de una cargadora frontal, utilizando todos los
componentes de un sistema hidráulico para simular el funcionamiento del
cucharón de una cargadora frontal, diseñando un prototipo en el cual dicho
funcionamiento se lo pueda apreciar de una manera fácil y didáctica.
Como objetivos específicos fueron el realizar un análisis de los principios
básicos del funcionamiento de un sistema hidráulico; calcular esfuerzos y
deformaciones de los elementos mecánicos como son los brazos, orejas,
pasadores y el cucharón para determinar sus especificaciones técnicas,
calcular los parámetros técnicos de cada elemento del sistema hidráulico
como son bomba, motor, cilindros y mando hidráulico; documentar y
representar el diseño del banco utilizando un programa de dibujo como
AutoCAD; realizar pruebas y mediciones en el funcionamiento para
comprobar fallas, fugas, pérdidas de presión en el sistema y verificar el
como mecánico para su puesta a punto y finalmente; elaborar guías de
práctica de laboratorio, manual de uso y un manual de mantenimiento como
herramientas de ayuda para la utilización del banco.
La falta de equipos o herramientas para el aprendizaje de un sistema
hidráulico ha creado falencias, puntualmente, en el conocimiento práctico de
estudiantes y profesionales al momento de realizar un mantenimiento o
reparación de un sistema hidráulico.
Con la construcción del banco del sistema hidráulico de una cargadora
frontal, estudiantes y profesionales de Ingeniería Automotriz van a tener una
herramienta fundamental para el aprendizaje práctico tanto de un sistema
hidráulico en sí como el aprendizaje de un elemento puntual de dicho
sistema, recalcando que un sistema hidráulico es muy similar en todas las
maquinarias pesadas existentes.
Determinando esfuerzos máximos y factores de seguridad en todos los
elementos mecánicos del banco y calculando los parámetros técnicos de los
elementos hidráulicos se obtuvo como resultado, uniendo todos estos
elementos, un equipo de gran aprendizaje en lo que respecta al
2. MARCO TEÓRICO
2.1.
HIDRÁULICA
Es la transmisión de energía mediante control de diferentes fuerzas a través
de un fluido para obtener movimientos lineales y rotativos, mediante una
gran cantidad de mecanismos.
2.2. PRINCIPIOS HIDRÁULICOS
Existen diferentes principios que se aplican en la hidráulica.
2.2.1. PRINCIPIO DE PASCAL
Este principio sostiene que cuando un fluido se encuentra al interior de un
recipiente es sometido a una presión, esta presión se traspasa de una
manera equitativa hacia todas las direcciones y a todas las paredes del
recipiente. En la figura 1 se observa la aplicación de este principio.
Figura 1.Aplicación del principio de Pascal
En fluidos se transmite presión, contrario a lo que sucede en los sólidos,
donde se transmiten fuerzas. Este fenómeno fue estudiado por Blaise Pascal, quien estableció: “Cambios de presión aplicados a un fluido en total reposo dentro de un contenedor, se transmite sin modificación a través de todo el fluido. Es similar en todas las direcciones y trabaja mediante fuerzas de forma perpendicular a las paredes que lo contienen” (Lázaro, 2007, página 93).
El Principio de Pascal está dado por la siguiente ecuación 1:
𝑃1 = 𝑃2 [1]
Debido a que la ecuación de presión 2 es la siguiente:
𝑃 = 𝐹𝐴 [2]
Por lo tanto:
𝑃1 = 𝐹1𝐴1 y 𝑃2 = 𝐹2𝐴2
F2 >> F1
2.2.2. PRINCIPIO DE BERNOULLI
Denominado también trinomio de Bernoulli o ecuación de Bernoulli, detalla la
forma de comportarse un fluido cuando se mueve en una línea de corriente.
Fue estudiado por Daniel Bernoulli y detalla que, en un fluido ideal, sin
rozamiento ni viscosidad, la energía que tiene o posee el fluido permanece
de una manera constante en el momento de su recorrido. La energía que
posee un fluido en cada momento figura de tres datos:
energía cinética
energía de flujo
energía potencial
b) Potencial gravitacional: es la energía debida a la altitud de un fluido.
c) Energía de flujo: es la energía debida a la presión que posee el fluido.
La ecuación de Bernoulli es la siguiente:
𝑉22𝑝
+ 𝑃 + 𝑝𝑔𝑧 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒
[3]
Dónde:
V: Velocidad del fluido en la sección considerada. g: Aceleración gravitatoria.
z: Altura en la dirección de la gravedad. P: Presión en la línea de corriente. ρ: Densidad del fluido.
Aplicando las siguientes consideraciones se tiene que:
Viscosidad (fricción interna) = 0.
Caudal constante.
Fluido incompresible: ρ es constante.
Este principio puede ser entendido o considerado como una representación
diferente de la conocida ley de la conservación de la energía, entendiendo
que, en una línea de corriente cada clase de energía tiende a disminuir o
aumentar de manera directa al aumento o disminución de las restantes dos.
La ecuación anterior 3, donde se desarrolla la ecuación o trinomio de
Bernoulli, también se puede describir de la manera expuesta en la ecuación
4, a través de una sumatoria de energías como son la energía cinética,
energía de flujo y energía potencial:
2.2.3. PRINCIPIO DE CONTINUIDAD
Considerando a los líquidos con una densidad constante y como
incompresibles, por cada sección de un tubo pasara el mismo caudal por
unidad de tiempo. Considerando la siguiente ecuación 5 (Solé, 2011):
Q1 = Q2 [5]
Dónde:
Q: Caudal
Desarrollando la ecuación de caudal, se tiene lo siguiente:
𝑄 = 𝐴 × 𝑣 [6]
Dónde:
A: Área
v: Velocidad
Por lo tanto se desarrolla la siguiente ecuación:
A1 x v1 = A2 x v2 [7]
La ecuación de continuidad también se la conoce cómo continuidad de flujo,
como se observa en la figura 2, se describe el flujo de fluidos ideales en
términos de conservación de la masa, donde se observa el ingreso y salida
de masa dentro de un tubo, donde obviamente el área de la entrada es
diferente al área de la salida, por lo tanto la velocidad en cada área o
sección también va a ser diferente, pero desarrollando la ecuación 7 se va a
Figura 2.Principio de continuidad
(Wilson, 2003)
2.3. SISTEMA HIDRÁULICO
Los sistemas hidráulicos, así como otros sistemas de transmisión de
potencia ya sean (mecánicos, eléctricos, neumáticos) tienen un circuito de
entrada, de control y de salida como se observa en la figura 3, y constan de
una fuente con movimiento rotacional o giratorio de velocidad ya sea
constante o variable, proporcionando un torque dependiente y variable del
sistema. El objetivo del sistema es ejercer un movimiento a una carga, ya
sea lineal o rotacional (Wilson, 2003).
La conformación de un circuito hidráulico está detallada de la siguiente
manera:
Figura 3.Diagrama de un circuito hidráulico
2.3.1. TANQUE HIDRÁULICO
El tanque de un sistema hidráulico debe poseer una adecuada capacidad,
generalmente mayor a la capacidad requerida por los actuadores hidráulicos
del sistema, por un factor de seguridad. Por lo general en un sistema
hidráulico el tanque se encuentra sellado. Por seguridad debe estar limpio en
un 100% para evitar residuos o alimañas que dañen el sistema y, tener una
buena resistencia. Su diseño debe permitir el enfriamiento del aceite,
separar las partículas de aire atrapadas en el mismo y permitir el
asentamiento de partículas que ensucian el sistema.
En la figura 4 se detallan los componentes de un tanque, con el circuito de
succión de la bomba lo más inferior posible sobre el tanque y también
observar el circuito de retorno del aceite hacia el tanque (Flavisur, 2009).
Figura 4.Componentes de un tanque hidráulico (Caterpillar, 2008)
2.3.2. FILTRO HIDRÁULICO
Es un componente fundamental del sistema de filtración de un
sistema hidráulico. El filtro tiene la función de controlar la contaminación de
partículas sólidas que son generadas de manera externa o de una manera
interna, producto dl desgaste de las superficies de las partes móviles del
sistema, permitiendo preservar y alargar la vida útil de todas las partes del
sistema hidráulico cómo del fluido también (Caterpillar, 2008).
En general, como se observa en la figura 5 los filtros están constituidos por
La carcasa.
El elemento filtrante o cartucho. Dispositivo de control de saturación.
Válvulas de derivación, antiretorno, toma de muestras y purgado.
Figura 5.Componentes de un filtro (Caterpillar, 2008)
2.3.3. MOTOR
La potencia útil en un sistema hidráulico es producto de la presión y el
caudal, restando las pérdidas del sistema. Para la selección de un motor
para una ejecución hidráulica, se considera las relaciones entre caudal,
velocidad, desplazamiento, torque, presión y pérdidas. El dato a considerar
principalmente es la presión máxima de trabajo en el sistema, que depende
principalmente de la función o aplicación que va a tener el sistema
hidráulico. La potencia hidráulica se calcula mediante la ecuación 8 (Mott,
2006):
𝑃𝑜𝑡ℎ = F · v [8]
Dónde:
Al despejar fuerza en la ecuación 8 y sustituyendo en 9 se obtiene la
siguiente ecuación:
𝑃𝑜𝑡ℎ = P · A · v [9]
Finalmente, teniendo en consideración que la velocidad del fluido v por la superficie del fluido transversal A tiene como resultado el caudal Q, se tiene que:
𝑃𝑜𝑡ℎ = P · Q [10]
Para determinar la potencia útil, dato técnico fundamental para escoger el
par bomba-motor, se considera las eficiencias tanto de la bomba como del
motor, obteniendo:
Pot u = 𝑃𝑜𝑡ℎ / ƞe [11]
Dónde:
Potu: Potencia útil
𝑃𝑜𝑡
ℎ: Potencia hidráulicaƞe: Eficiencia del conjunto bomba-motor.
Complementariamente, para obtener confiabilidad en el sistema, se
multiplica la potencia útil por un factor de seguridad Ψ, poniéndole un valor de 1.25, teniendo como resultado la potencia del motor Potm, en la ecuación 12:
Potm = Ψ · Potu [12]
Dónde:
𝑃𝑜𝑡ℎ: Potencia hidráulica
Ψ: Factor de seguridad
2.3.4. BOMBA HIDRÁULICA
El uso de la fuerza para poner en funcionamiento los diferentes elementos
del sistema hidráulico y la necesidad de incrementar la producción y
potencia ha llevado a usar sistemas a una mayor presión y bombas de
mayor aforo. En un sistema hidráulico se usan las bombas de
desplazamiento positivo como las de piñones, paletas o de pistones. El uso
de éstas depende principalmente del rango de presiones que requiera el
sistema. Una bomba hidráulica es una máquina generadora que transforma
la energía mecánica con la que es accionada en energía del fluido
incompresible que mueve. Al incrementar la energía del fluido, se aumenta
su presión, su velocidad y altura, todas ellas relacionadas según el principio
de Bernoulli. En general, una bomba se utiliza para incrementar la presión de
un líquido añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el fluido de
una zona de menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud
(Vickers, 2002).
2.3.4.1. Bomba de engranajes
Esta bomba es una de las más comunes en lo que corresponde a bombas
con caudal constante. Su estructura se forma mediante dos piñones
dentados acoplados que giran, con un cierto juego, dentro del cuerpo. El
piñón motriz se une mediante una chaveta sobre el árbol que es accionado
comúnmente por un motor eléctrico. Las mangueras de entrada y de salida
se conectan sobre el cuerpo de la bomba (Vickers, 2002).
Como se observa en la figura 6, se representa los elementos internos de una
bomba de engranajes. Se detallan las líneas de flujo desde la zona de baja
presión a la salida de alta presión. El aceite hidráulico fluye hacia el espacio
Figura 6.Elementos de una bomba de engranajes
(Solé, 2011)
2.3.4.2. Bomba de paletas
Es una bomba que tiene en su estructura interior un conjunto de paletas, que
son las encargadas de transportar el fluido hidráulico, conectadas a un rotor
que gira en una carcasa de forma circular con un tamaño más grande como
se observa en la figura 7. El centro de cada paleta no está exactamente
ubicado en el centro del eje, causando de esta manera excentricidad. Las
paletas deslizan el fluido hidráulico hacia dentro y hacia afuera del rotor,
formando cámaras de fluido que permiten realizar el trabajo de bombeo. En
la parte de la succión, las cámaras aumentan su volumen y son llenadas con
aceite inyectado por la presión de la succión. Esta presión no sobrepasa en
valor a la presión atmosférica. En la parte de descarga o presión de la
bomba, las cámaras de aceite disminuyen su volumen, obligando al aceite a
salir de la bomba. Comúnmente estas bombas operan con un rango de
Figura 7. Funcionamiento de unabomba de paletas
(Vickers, 2002)
2.3.4.3. Bomba de pistón
Este tipo de bombas están conformadas por un grupo de pistones que
realizan su trabajo de una forma similar a los pistones de un motor de
combustión interna. Comúnmente trabajan con una presión de hasta
5000psi. Disponen de algunos conjuntos pistón-cilindro de forma que
mientras unos pistones están aspirando líquido, otros lo están impulsando,
consiguiendo así un flujo menos pulsante; siendo más continuo cuantos más
pistones haya en la bomba. Dependiendo de la disposición que tiene cada
conjunto de pistones en relación al rotor que los acciona, se clasifican como
se observa en la figura 8 axiales, radiales o transversales (Vickers, 2002).
Figura 8.Disimilitud de las bombas de pistones axial y radial
2.3.5. ELEMENTOS DE CONTROL
Al tener rangos de presiones diferentes durante el funcionamiento y
operación de un sistema hidráulico, existen elementos que controlan la
presión en determinados puntos de dicho sistema. Este control funciona a
través de elementos como son las válvulas, que van a restringir o permitir la
cantidad de aceite hidráulico que circula en el sistema (Solé, 2011).
2.3.5.1. Válvula de control direccional
Estas válvulas son deslizantes de tipo carrete. La composición de esta
válvula es mediante cintas trabajadas que se mueven dentro de un cuerpo
de válvulas. El carrete tiene un movimiento horizontal, que permite que el
aceite fluya a través de la válvula o que impida su flujo como se explica en la
figura 9. La válvula requiere limpieza absoluta para evitar desgastes
prematuros. A fin de no permitir una deformación del cuerpo de la válvula es
necesario dar el torque correcto a todos los pernos en el armaje del cuerpo
de válvulas (Crespo, 2006).
Figura 9.Válvula de 3 posiciones con su funcionamiento en fases
La figura 9 indica los modos de funcionamiento de una válvula de control
direccional. Cuando esta válvula está en una posición neutral,
representación A en la figura, el flujo se traslada por la válvula a través del
puerto de presión (P), y retorna al tanque. Mientras el carrete se inclina para
la derecha de la posición neutral; representación B en la figura; una línea de
trabajo (C1) se regula con el sistema y la línea (C2) está abierta a través del
carrete hacia el tanque (Hibbeler, 2011).
2.3.5.2. Válvula reguladora de control
El regulador de presión en sistemas hidráulicos tiene como función regular la
presión que se requiere para el trabajo ideal del sistema, al momento de que
exista un aumento de presión, esta válvula se activa haciendo retornar el
aceite hacia el circuito de retorno al tanque. Como es explica en la figura 10,
un regulador está abierto cuando se dirige el fluido bajo presión hacia el
sistema (A). En la posición (B), el fluido queda atrapado en la presión
deseada, y el aceite de la bomba se puentea en la línea de retorno y vuelve
al depósito (Solé, 2011).
Figura 10.Bosquejo de una válvula reguladora
2.3.5.3. Válvula de alivio
Denominadas válvulas de seguridad, trabajan aliviando la presión del
sistema cuando el aceite supera el límite preestablecido del mismo.
Teniendo gran cantidad de partes en su construcción como se observa en la
figura 11, el objetivo principal es evitar la saturación del sistema con el cual
este puede explotar, protegiendo el sistema y evitando el fallo de cualquier
elemento del sistema.
Es de gran importancia en estas válvulas que la liberación del fluido se haga
hacia el exterior, en un lugar visible, puesto que habitualmente la fuga indica
un fallo del sistema normal de regulación, y de este modo el operador puede
saber que hay un problema y que debe tomar medidas para corregirlo. Sin
embargo, en la industria no todas las válvulas deben liberar el fluido al
exterior: en el caso de gases o líquidos peligrosos la liberación debe hacerse
hacia contenedores especiales. Las válvulas de alivio de presión se utilizan
también para controlar procesos, en estos casos las válvulas actúan
enviando los fluidos a determinados lugares dependiendo de presión del
sistema (Solé, 2011).
Figura 11.Elementos de una válvula de alivio
2.3.6. ACTUADORES HIDRÁULICOS
Son los elementos encargados de convertir la potencia enviada desde la
bomba en potencia de trabajo que se transmite hacia las partes mecánicas
del sistema, van conectados mediante manguera de presión desde el mando
hidráulico hacia los elementos mecánicos a realizar el trabajo operacional.
Como ejemplo de un actuador hidráulico, se tiene al cilindro hidráulico que
es un dispositivo que tiene como objetivo convertir la potencia que posee el
fluido hidráulico en potencia lineal.
Como se observa en la figura 12, el funcionamiento de un actuador
hidráulico inicia desde el funcionamiento de todos los elementos hidráulicos,
aplicando la fuerza enviada mediante presión con el fluido, desde la bomba
hacia este actuador, activando un elemento mecánico (Caterpillar, 2010).
Figura 12.Funcionamiento de un actuador hidráulico
(Caterpillar, 2008)
Como se observa en la figura 13, el cilindro está constituido por un pistón
que trabaja dentro de una cámara. Los cilindros son instalados de manera
mecanismo que se accionará, o viceversa. Este tipo de cilindro se utiliza
normalmente para aplicaciones que requieran funciones tanto de empuje
como de tracción. Son fundamentales en maquinaria pesada para mover los
brazos que van conectados hacia el cucharón.
Figura 13.Cilindro o gato hidráulico con sus elementos principales
(Sánchez, 2012)
2.3.7. ELEMENTOS AUXILIARES
Tanto los circuitos hidráulicos como los neumáticos necesitan de elementos
auxiliares, que no pertenecen a ningún nivel concreto, con una función
importante dentro de los mismos.
2.3.7.1. Cañerías
Las cañerías hidráulicas se usan en los casos en que se necesita
flexibilidad, como cuando los componentes rozan unos con otros. Las
cañerías absorben la vibración y resisten las variaciones de presión
(Caterpillar, 2010). Sus usos en sistemas hidráulicos son variados, entre
ellos encontramos:
- Movimiento de tierras.
- Industria forestal.
- Construcción.
- Aserraderos de madera terciada y de pulpa.
- Fábricas.
- Agricultura.
- Manejo de desechos.
- Minería.
Como se aprecia en la figura 14, las cañerías se hacen de diferentes capas
en espiral. El tubo interior de polímero (1) transporta el aceite. Una capa de
alambre de refuerzo o envoltura de fibra (2) sostiene al tubo interior. Si hay
más de una capa de refuerzo, estarán separadas por una capa de fricción de
polímero (3). La cubierta exterior (4) protege la manguera del desgaste.
Figura 14.Capas de una cañería hidráulica (Flavisur, 2009)
La selección de cañerías dependerá de su uso (temperatura, fluido a
transportar, etc.) y de los niveles de presión que soportará el sistema. En la
figura 15 se aprecia las diferentes cañerías que existen con diferentes
elementos en su espiral y en la tabla 1, siguiente cuadro muestra los niveles
de presión que soporta cada tipo de cañería.
Figura 15.Tipos de cañerías
Tabla 1.Presiones de las cañerías según el material
TIPOS Nivel de presiones
1. XT-3 (Cuatro espirales) 2500 - 4000 PSI 2. XT-5 (Cuatro / seis espirales) 5000 PSI
3. XT-6 (Seis espirales) 6000 PSI
4. 716 (de una malla de alambre) 625 - 2750 PSI 5. 884 (succión hidráulica) 100 - 300 PSI 6. 556 (de una malla cubierta con tela) 500 - 3000 PSI
7. 1130 (Motor / frenos de aire) 250 - 1500 PSI 8. 1028 (Termoplástico) 1250 - 3000 PSI 9. 294 (de dos mallas de alambre) 2250 - 5800 PSI
(Flavisur, 2009)
2.3.7.2. Manómetros
Es un instrumento utilizado para la medición de la presión en los fluidos,
generalmente determinando la diferencia de la presión entre el fluido y la
presión local. En la mecánica la presión se define como la fuerza por unidad
de superficie que ejerce un líquido o un gas perpendicularmente a dicha
superficie.
La presión suele medirse en atmósferas (atm); en el sistema internacional de
unidades (SI), la presión se expresa en newtons por metro cuadrado; un
newton por metro cuadrado es un pascal (Pa). La atmósfera se define como
101.325 Pa, y equivale a 760 mm de mercurio en un barómetro
convencional. Cuando los manómetros deben indicar fluctuaciones rápidas
de presión se suelen utilizar sensores piezoeléctricos o electrostáticos que
proporcionan una respuesta instantánea (Solé, 2011).
Hay que tener en cuenta que la mayoría de los manómetros miden la
diferencia entre la presión del fluido y la presión atmosférica local, entonces
hay que sumar ésta última al valor indicado por el manómetro para hallar la
presión absoluta. Cuando se obtiene una medida negativa en el manómetro
es debida a un vacío parcial. En la figura 16 se puede apreciar un
Figura 16.Esquema de un manómetro con diafragma con sus partes
(Brito, 2006)
2.3.7.3. Caudalímetro
Es un instrumento de medida para la medición de caudal o gasto volumétrico
de un fluido o para la medición del gasto másico. Estos aparatos suelen
colocarse en línea con la tubería que transporta el fluido.
Es un dispositivo que se utiliza para medir el caudal o la cantidad de un gas
o líquido. Las aplicaciones de medición de caudal son muy diversas.
Considere los siguientes ejemplos: flujo de agua a través de un canal
abierto, pérdida de válvula hidráulica, y medición de combustible a través de
un inyector de combustible.
Si bien se usan muchas tecnologías distintas para medir el caudal, el
caudalímetro con desplazamiento positivo es único porque mide
directamente el volumen real. Todos los demás tipos infieren el caudal
realizando otro tipo de medición e igualándola con el caudal. Los
caudalímetros se conocen por muchos nombres, como flujómetro, indicador
de flujo, medidor de líquido, etc., según la industria. No obstante, la función
de medición de caudal es siempre la misma y su representación se la puede
Figura 17.Representación gráfica de un caudalímetro hidráulico
(Brito, 2006)
2.3.7.4. Accionamientos
En un sistema hidráulico existen diferentes tipos de accionamientos o
mandos para poder realizar el funcionamiento del mismo. Estos mandos
hidráulicos o también conocidos como spulls van conectados hacia la caja
de válvulas para poder realizar el accionamiento deseado en el sistema
hidráulico.
Existen diferentes tipos de accionamientos para poner en funcionamiento el
mando hidráulico, entre estos tipos de accionamientos tenemos los
accionamientos mecánicos, que es un mando sujeto a una acción manual,
por ejemplo un vástago, una palanca o un pulsador.
Por ejemplo un vástago montado directamente en la parte inclinable de la
bomba permite variar la cilindrada del elemento primario.
También están los accionamientos eléctricos como pueden ser un motor
eléctrico o un selenoide que pueden sustituir a los accionamientos manuales
y funcionar de una manera electrónica ya que poseen la misma función u
objetivo.
Y por último están los accionamientos hidráulicos que se realizan mediante
Cada tipo de accionamiento necesita un sistema de uso diferente, pero el
resultado al momento de utilizar o accionar el sistema hidráulico es el
mismo.
En la tabla 2 se puede apreciar los diferentes accionamientos hidráulicos
que pueden existir con su respectiva simbología (Festo, 1998).
Tabla 2.Accionamientos hidráulicos
(Mott, 2006)
2.4. SISTEMA MECÁNICO
2.4.1. BRAZOS
Son los elementos encargados de transmitir la fuerza ejerciente de los
cilindros hidráulicos en movimiento del cucharón.
En estos elementos van acoplados los cilindros, por lo tanto deben soportar
diferentes esfuerzos para realizar el trabajo de manera eficaz. Estos
2.4.1.1. Esfuerzo
Es el esfuerzo interno, resultado de las diferentes tensiones de forma
perpendicular a la sección transversal que va a sufrir el brazo mecánico. La
ecuación de esfuerzo es la siguiente (Hibbeler, 2011):
𝛿 =
𝑀𝑚á𝑥𝐼 𝑐⁄
[13]
Dónde:
𝛿
:
Esfuerzo (KPa) M: Momento (Nm)I: Inercia (
𝑚
4)
C: Distancia del eje extremo máximo (m)
2.4.1.2. Momento
Se le denomina momento a una magnitud vectorial, respecto de un punto
dado, como resultado vectorial de un vector de posición de un punto
específico donde se aplica una fuerza (Hibbeler, 2011).
La ecuación para determinar el momento es:
M = r x F [14]
Dónde:
r: Vector de posición (rx – ry)
F:Vector de fuerza (Fx – Fy)
2.4.1.3. Inercia
Propiedad que poseen todos los cuerpos cuando tienden a mantener su
estado de reposo, por lo tanto la inercia es la resistencia al movimiento de un
La fórmula para determinar la inercia es diferente según la forma del cuerpo,
la fórmula que se necesita es de un cuerpo rectangular como lo es el brazo,
por lo tanto su ecuación es:
𝐼 =
112
𝑒ℎ
3[15]
Dónde:
e: Espesor del material (m)
h: Distancia a medir la inercia (m3)
2.4.1.4. Esfuerzo de fluencia
Es una característica mecánica propia que posee cada material, y que tiene
como función poder determinar la capacidad permisible estructuralmente
hablando en el diseño de este material (Hibbeler, 2011).
El esfuerzo de fluencia de cada material viene determinado en tablas y que
este valor es asignado acorde al tratamiento de cada material.
2.4.1.5. Factor de seguridad del brazo
Para el cálculo de estructuras, es muy importante poder obtener un factor
que asegure que tal parte o elemento de una estructura soporte todos los
esfuerzos a los que va a ser expuesto, por lo tanto calcular el factor de
seguridad, que es el resultado de dividir la capacidad máxima del sistema a
estructurarse y el valor real de los esfuerzos a los que va a ser sometido el
elemento o pieza (Hibbeler, 2011).
Para calcular el factor de seguridad en el brazo tenemos la siguiente
ecuación:
𝑛 =
𝑆𝑦𝛿[16]
Dónde:
𝑆𝑦: Esfuerzo de fluencia
𝛿
: EsfuerzoEl factor de seguridad, para tener la certeza que va a soportar todo tipo de
esfuerzos debe ser igual o mayor a 1.
2.4.2. CUCHARÓN
Es el elemento mecánico que va conectado directamente con los brazos y
con un cilindro hidráulico, es el encargado de cargar y trasladar el material.
Su dimensión va acorde al volumen que el fabricante necesita que cargue la
maquinaria y al material a cargarse.
Los datos a calcular en el cucharón son los siguientes:
2.4.2.1. Tiempo de ciclo
El tiempo de ciclo comprende en el tiempo que tardará el banco en realizar
el trabajo de carga de material, levantamiento del cucharón, descarga de
material y descenso del cucharón. Este valor se lo calcula midiendo el
tiempo en el que demora la parte mecánica en realizar lo anteriormente
explicado.
2.4.2.2. Factor de llenado
El factor de llenado corresponde al porcentaje de cantidad de material que
va a cargar el cucharón en la práctica. En teoría, se supone que el cucharón
en su volumen total o dimensión total va a tener un factor de llenado del
100%, pero al momento de llenar el cucharón de material, éste va a
sobrepasar siempre la dimensión total del cucharón. Por lo tanto se le
corresponde un valor propio del fabricante, que debe ser con un porcentaje
2.4.2.3. Capacidad nominal del cucharón
La capacidad nominal del cucharón es la capacidad teórica que va a tener el
cucharón para levantar una carga, se calcula esta capacidad con la siguiente
ecuación:
Capacidad nominal cucharón= 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎𝑟
𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙
[17]
2.4.2.4. Capacidad total del cucharón
Es la capacidad real que posee el cucharón para la carga de material y se la
calcula con la siguiente ecuación:
Capacidad total del cucharón = Capacidad nominal x factor de llenado [18]
2.4.2.5. Peso a levantar
Es un dato importante a calcular, donde se va a conocer el peso que va a
levantar el cucharón y por lo tanto es un dato técnico para saber la potencia
necesaria que debe suministrar el sistema hidráulico, el peso a levantar se lo
calcula con la siguiente ecuación:
Peso a levantar = Capacidad nominal cucharón x densidad material [19]
2.4.3. PASADOR
Es un cuerpo cilíndrico que normalmente es fabricado de acero para mayor
resistencia, que tiene como función unir o acoplar ya sea los cilindros
hidráulicos, el cucharón o los brazos mecánicos con las orejas. Cada
pasador va a estar sometido a diferentes fuerzas y esfuerzos como los
2.4.3.1. Esfuerzo cortante
Es un esfuerzo interno del pasador, resultado de las tensiones de forma
paralela a la que se encuentra sometida (Hibbeler, 2011). La ecuación para
determinar este esfuerzo cortante es la siguiente:
𝛿
𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒=
𝑉𝐴[20]
Dónde:
V: Fuerza cortante (KN)
A: Área de la sección del pasador ( 𝑚2)
2.4.3.2. Esfuerzo último al corte
Este esfuerzo es el punto en el que el material va a deformarse y en el que
el material falla de manera completa antes de su ruptura. Este valor viene
determinado en tablas acorde al fabricante. Por lo tanto cada material, en
este caso cada acero tiene sus propias especificaciones.
2.4.3.3. Factor de seguridad del pasador
Es similar al factor de seguridad del brazo, simplemente cambia la fórmula
debido a que los esfuerzos a los que está sometido el pasador es diferente a
los esfuerzos que está sometido el brazo, por lo tanto la ecuación es la
siguiente:
𝑛 =
𝛿 ú𝑙𝑡𝑖𝑚𝑜 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒𝛿 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑝𝑎𝑠𝑎𝑑𝑜𝑟
[21]
2.4.4. OREJAS
Se les denomina orejas a las planchas de material que van a ser el soporte
de los pasadores donde van a ir ubicados ya sea los brazos o los cilindros
Las orejas están expuestas a esfuerzos y fuerzas como las explicadas a
continuación:
2.4.4.1. Esfuerzo de aplastamiento
Es el esfuerzo que se forma en la superficie de contacto entre dos elementos
o piezas. La ecuación para determinar este esfuerzo es:
𝛿
𝑎𝑝𝑙𝑎𝑠𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜=
𝐹𝐴[22]
Dónde:
F: Fuerza que se ejerce en el pasador
A: Área de la sección de contacto entre el pasado y la oreja
El área es calculada de la siguiente manera:
𝐴 = 𝜋rt
[23]
Dónde:
r: Radio del pasador
t: Espesor de la oreja
2.5. MAQUINARIA PESADA
La maquinaria pesada es una clase de maquinaria que utiliza como fuente
de energía ya sea combustible fósil como gasolina o diésel, o electricidad
para su accionamiento; es utilizada para realizar diferentes tareas como el
movimiento de material, levantamiento de objetos pesados, demolición,
compactación, excavación o el transporte de material.
Cada maquinaria pesada posee un diferente sistema de traslación, este
ruedas o rieles; autopropulsadas o transportadas por otro equipo (Caterpillar,
2008).
En el país se puede encontrar diferentes maquinarias pesadas que se
utilizan y que son de gran importancia en el campo minero, campo petrolero,
de construcción ya sea construcción de infraestructuras o construcción de
vías, entre las más importantes tenemos excavadoras, retroexcavadoras,
compactadoras, dragadoras, grúas, motoniveladoras y cargadoras.
2.5.1. CARGADORA FRONTAL
Es un equipo tractor que se emplea para carga, acarreo y en algunos casos
especiales para excavación de diferentes tipos de materiales, su sistema de
traslación puede ser con tren de rodaje o con neumáticos como se observa
en la figura 18, siendo estos últimos los más comunes; se utilizan también
para transportar materiales a cortas distancias. Cuando están provistos de
ruedas, su bastidor es articulado, y es fijo cuando se diseña con tren de
rodaje. Su forma de descarga de material tiene diferentes maneras ya que
puede ser una descarga frontal, lateral o posterior (Caterpillar, 2008).
2.5.1.1. Generalidades
Una cargadora frontal puede tener diferentes aplicaciones al momento de su
funcionamiento como pueden ser:
- Excavar
- Cargar
- Descargar
- Transportar
También existen diferentes tipos de cargadoras frontales acordes a su forma
de descargar el material, la descarga como se aprecia en la figura 19, puede
ser:
- Descarga frontal
- Descarga lateral
- Descarga trasera
Figura 19.Representación descarga frontal
2.5.1.2. Circuito hidráulico de una cargadora frontal
El circuito o sistema hidráulico es el encargado de crear las diferentes
fuerzas y movimientos mediante fluidos sometidos a presión. Estos fluidos
son el medio de transmisión de energía en el circuito, como se observa en la
figura 20.
Un circuito hidráulico está conformado por diferentes partes, piezas o
elementos que cumplen una determinada función.
Los principales elementos en el circuito hidráulico de una cargadora frontal
son:
- Tanque hidráulico
- Filtros hidráulicos
- Bomba hidráulica
- Cuerpo de válvulas
- Motor de accionamiento de la bomba
- Actuadores hidráulicos (cilindros)
Figura 20.Circuito hidráulico de una cargador frontal Caterpillar 994F
En un circuito hidráulico, depende el trabajo que se va a realizar se activan
diferentes partes del sistema hidráulico, como se observa en la figura 21, el
sistema se encuentra sin activación, en piloto, por lo tanto la caja de válvulas
no tiene ninguna válvula en funcionamiento.
Figura 21.Circuito hidráulico en piloto de una cargadora frontal Caterpillar 994F
2.5.1.3. Circuito hidráulico de carga de material
Al momento de accionar el sistema hidráulico como se observa en la figura
22, en ese momento se realiza la carga de material del cucharón activando
el cajetín de válvulas.
Figura 22.Circuito hidráulico de carga de una cargadora frontal Caterpillar 994F
2.5.1.4. Circuito hidráulico de descarga de material
De igual forma como se aprecia en la figura 23, al momento de activar el
cucharón para la descarga de material, se activa la otra posición del cajetín
de válvulas cambiando el sentido de flujo del fluido.
Figura 23.Circuito hidráulico de descarga de una cargadora frontal Caterpillar 994F
2.5.1.5. Circuito hidráulico de elevación del cucharón
De igual manera, en la figura 24 se aprecia la activación del cuerpo de
válvulas al momento del ascenso del cucharón. Es muy importante observar
la dirección del fluido hidráulico, la posición en la que se encuentra el cuerpo
de válvulas y observar como cada cilindro hidráulico se activa acorde al
trabajo a realizase.
Figura 24.Circuito Hidráulico de elevación del cucharón de una cargadora frontal Caterpillar 994F
2.5.1.6. Circuito hidráulico de descenso del cucharón
Finalmente en la figura 25 se puede observar el sistema hidráulico al
momento que el cucharón va a realizar el descenso. El cajetín de válvulas
cambia su dirección a lo observado en la figura 24, dándole un sentido
contrario de flujo del aceite hidráulico.
Figura 25.Circuito hidráulico de descenso del cucharón de una cargadora frontal Caterpillar 994F
