UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIALrepositorio.ute.edu.ec/bitstream/123456789/14188/1/66879... · 2018. 3. 29. · Hidráulica, oleohidráulica, presión, fuerza, área, caudal,

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E

INDUSTRIAS

CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

DISEÑO CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE UN BANCO

DIDÁCTICO DEL SISTEMA HIDRÁULICO DEL BRAZO Y GIRO

DE LA CABINA DE UNA RETROEXCAVADORA

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO

DE INGENIERO AUTOMOTRIZ

MARCELO PATRICIO SALGUERO SÁNCHEZ

DIRECTOR: MSC. LENIN VALENCIA

Quito, Noviembre 2016

© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2016

Reservados todos los derechos de reproducción

FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO

PROYECTO DE TITULACIÓN

DATOS DE CONTACTO

CÉDULA DE IDENTIDAD: 1719937151

APELLIDOS Y NOMBRES: SALGUERO SÁNCHEZ MARCELO PATRICIO

DIRECCIÓN: TENIENTE ORTIZ Y AYAPAMBA OE2D S23-45

EMAIL: [email protected]

TELÉFONO FIJO: 023063418

TELÉFONO MOVIL: 0983287017

DATOS DE LA OBRA

TITULO:

DISEÑO CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE

UN BANCO DIDÁCTICO DEL SISTEMA HIDRÁULICO

DEL BRAZO Y GIRO DE LA CABINA DE UNA

RETROEXCAVADORA.

AUTOR O AUTORES: MARCELO PATRICIO SALGUERO SÁNCHEZ

FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO

DE TITULACIÓN: 23 de noviembre de 2016

DIRECTOR DEL PROYECTO DE

TITULACIÓN: MSC. LENIN VALENCIA MENDEZ

PROGRAMA PREGRADO POSGRADO

TITULO POR EL QUE OPTA: INGENIERO AUTOMOTRIZ

RESUMEN:

El presente trabajo corresponde al diseño y

construcción de un banco didáctico del sistema

hidráulico del brazo y giro de la cabina de una

retroexcavadora, su ejecución partió del diseño de todos

los componentes del brazo excavador y de giro a través

del modelado y el análisis estático, luego se realizó una

selección de los elementos hidráulicos en base a una

ponderación o justificación cuantitativa, posteriormente

se construyó y se ensambló los elementos a la

estructura del banco didáctico. La unidad de

abastecimiento puede acumular hasta 10 litros de aceite

hidráulico, para el suministro de fluido al sistema

hidráulico se determinó utilizar una bomba de engranes

X

de 0.95 galones por minuto a 1800 revoluciones, es

decir, entrega 2cm3 por cada giro del eje de la bomba, a

esta unidad se incorporó un motor eléctrico de 0.37kW

que desarrolla la velocidad antes mencionada, además,

generó una presión máxima de 5.8MPa, para el sistema

de control se escogió un bloque de válvulas

direccionales 6/3, pues lleva incorporado en su interior

una válvula reguladora de presión, por medio de ella se

reguló la presión de trabajo a 3MPa, cabe destacar, que

se optó por utilizar válvulas 6/3 para que el motor

eléctrico parta sin carga, para la visualización de la

presión de trabajo se incorporó un manómetro de

4.13MPa y se lo acopló a la línea de presión del bloque

de válvulas. Las válvulas direccionales tienen un

accionamiento por palanca y retornan por medio de un

muelle, del mando hidráulico los conductos se enlazaron

a las válvulas reguladoras de caudal de un solo sentido

que regulan la velocidad de los actuadores.

PALABRAS CLAVES:

Hidráulica, oleohidráulica, presión, fuerza, área, caudal,

volumen, velocidad, potencia, viscosidad, bomba,

válvula, motor, modelado.

ABSTRACT:

This document corresponds to the design and

construction of a training bench hydraulic arm and turn

the cab of a backhoe, execution left the design of all

components of the excavator arm and turning through

modeling and static analysis, then a selection of the

hydraulic elements are made based on a weighting or

quantitative justification, subsequently built and the

elements to the structure of the didactic bench was

assembled. The supply unit may accumulate up to 10

liters of hydraulic oil to supply fluid to the hydraulic

system was determined using a gear pump 0.95 gallons

per minute at 1800 rpm, you see, delivery 2cm3 per

rotation of the pump shaft, this unit 0.37kW electric

motor which develops the aforementioned speed up,

also generated a maximum pressure of 5.8MPa, for the

control system block 6/3 directional valves was chosen

because incorporates in its interior a pressure regulating

valve, through her work pressure 3 MPa was regulated,

DEDICATORIA

A mis padres Gilberto Enrique Salguero Vallejo y María Magdalena Sánchez López por inculcarme sus principios, valores y enseñanzas, son los artífices de mis logros e inspiración, alcanzar esta

meta no hubiese sido posible sin su apoyo constante y sacrificio, viviré eternamente agradecido por no permitir que claudique en mis metas a

medio camino.

A Sonia mí hermana, por su apoyo, motivación y consejos, muchas veces cumpliendo el rol de una madre y otras de una amiga, y sobre todo

por aclarar mis ideas en medio de las adversidades que la vida nos deparó.

A mis familiares por sus palabras de ánimo y exigencia de culminar

con éxito mi carrera, sus palabras calaron en mi mente y por supuesto a mis familiares que partieron de nuestro lado, sus sabias palabras y

consejos las llevo en mi corazón junto con su grato recuerdo.

Marcelo Patricio Salguero Sánchez

AGRADECIMIENTO

Agradezco a Dios por cuidarme y haberme regalado salud hasta estos días, por ser mí fortaleza, mí guía y no desampararme en los

momentos más difíciles de mi vida, gracias por la salud de mis padres, hermana y familiares el compartir este legro con ellos es producto de tu

bondad.

A mis padres Gilberto Salguero y María Sánchez por su apoyo incondicional en cada emprendimiento, el culminar esta meta no hubiese sido posible sin su ayuda, sus palabras de aliento junto con sus exigencias

llegaron a ser parte fundamental para nunca perder el horizonte.

A mi hermana Sonia, por su ejemplo de profesionalismo, dedicación y emprendimiento, por sus consejos, apoyo y palabras de aliento a lo largo

de toda mi carrera estudiantil.

A Christian Benalcázar un amigo a carta cabal, gracias por tu apoyo y amistad, sin duda alguna no necesitamos llevar la misma

sangre para ser hermanos y te considero como tal.

Al Ingeniero Lenin Valencia por su guía, paciencia y consejos a lo largo de toda la realización de esta tesis.

Finalmente a todos los profesores de la carrera de Ingeniería Automotriz, gracias por compartir sus conocimientos, junto con su

amistad, su tiempo y el apoyo brindado a lo largo de mi carrera.

Marcelo Salguero

i

ÍNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

RESUMEN ........................................................................................................ 1

ABSTRACT ...................................................................................................... 2

1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................... 3

2. MARCO TEÓRICO ....................................................................................... 5

2.1. HIDRÁULICA ............................................................................................. 5

2.1.1. HIDROSTÁTICA ..................................................................................... 5

2.1.2. HIDRODINÁMICA ................................................................................... 6

2.1.3. OLEOHIDRÁULICA ................................................................................ 7

2.1.3.1. Ventajas de la oleohidráulica ............................................................... 8

2.1.3.2. Desventajas de la oleohidráulica ......................................................... 8

2.1.3.3. Características de los aceites hidráulicos ............................................ 9

2.1.3.4. Propiedades de los aceites hidráulicos ................................................ 9

2.2. PRINCIPIOS DE LA HIDRAULICA .......................................................... 10

2.2.1. PRESIÓN .............................................................................................. 10

2.2.2. PRINCIPIO DE PASCAL....................................................................... 10

2.2.3. CAUDAL ............................................................................................... 12

2.2.4. VELOCIDAD DEL FLUIDO ................................................................... 13

2.2.5. FLUJO LAMINAR .................................................................................. 13

2.3. CONSTITUCIÓN DE UN EQUIPO OLEOHIDRÁULICO .......................... 14

2.3.1. UNIDAD DE ALMACENAMIENTO Y TRANSFORMACIÓN DE

_____ENERGÍA .............................................................................................. 14

2.3.2. UNIDAD DE CONTROL ........................................................................ 16

2.3.3. UNIDAD DE TRABAJO ......................................................................... 17

2.4. ELEMENTOS DEL LOS SISTEMAS OLEOHIDRÁULICOS .................... 18

2.4.1. DEPÓSITO ........................................................................................... 18

2.4.2. BOMBAS OLEOHIDRÁULICAS ............................................................ 19

ii

2.4.2.1. Bomba de engranajes. ....................................................................... 20

2.4.2.2. Bomba de paletas. ............................................................................. 20

2.4.2.3. Bomba de pistones. ........................................................................... 21

2.4.3. VÁLVULAS HIDRÁULICAS .................................................................. 21

2.4.3.1. Válvula reductora de presión ............................................................. 22

2.4.3.2. Válvula reductora de caudal ............................................................... 22

2.4.3.3. Válvulas direccionales........................................................................ 24

2.4.4. VÁLVULAS HIDRÁULICAS DE SEGURIDAD ...................................... 24

2.4.4.1. Válvulas de bloqueo ........................................................................... 25

2.4.5. ACTUADORES HIDRÁULICOS ............................................................ 26

2.4.5.1. Cilindros de simple efecto .................................................................. 26

2.4.5.2. Cilindros de doble efecto .................................................................... 27

2.4.5.3. Motores Hidráulicos ........................................................................... 27

2.4.6. FILTROS EN EQUIPO OLEOHIDRAULICO ......................................... 29

2.4.7. TUBERÍAS Y ACOPLES HIDRAULICOS ............................................. 29

2.5. SIMBOLOGÍA HIDRAULICA .................................................................... 31

2.5.1. SIMBOLOGÍA DE LA UNIDAD DE ABASTECIMIENTO,

_____SUMINISTRO DE ENERGÍA, ELEMENTOS DE CONEXIÓN Y

_____EQUIPOS DE MEDICIÓN ..................................................................... 32

2.5.1.1. Líneas del circuito oleohidráulico ....................................................... 32

2.5.1.2. Abastecimiento, transmisión y accesorios ......................................... 33

2.5.2. SIMBOLOGÍA DE LA UNIDAD DE CONTROL Y FORMAS DE

_____ACCIONAMIENTO ................................................................................ 34

2.5.2.1. Válvulas de direccionales ................................................................... 34

2.5.2.2. Válvulas reguladoras de presión ........................................................ 35

2.5.2.3. Válvulas reguladoras de caudal ......................................................... 35

2.5.2.4. Válvulas de seguridad ........................................................................ 36

2.5.2.5. Accionamiento de las válvulas ........................................................... 36

2.5.3. SIMBOLOGÍA DE LA UNIDAD DE TRABAJO ..................................... 37

2.5.3.1. Cilindros oleohidráulicos .................................................................... 37

2.5.3.2. Motores oleohidráulicos ..................................................................... 37

2.6. APLICACIONES MÓVILES DE LA OLEOHIDRÁULICA .......................... 38

2.7. RETROEXCAVADORA ........................................................................... 39

iii

2.7.1. FUNCIONES DE LA RETROEXCAVADORA ....................................... 39

2.7.2. VENTAJAS DE LA RETROEXCAVADORA .......................................... 40

2.7.3. ESTRUCTURA DE LA RETROEXCAVADORA .................................... 40

2.7.3.1. Bastidor inferior .................................................................................. 41

2.7.3.2. Bastidor Superior. .............................................................................. 41

2.7.3.2. Equipo de trabajo ............................................................................... 42

2.7.4. ELEMENTO EXCAVADOR .................................................................. 42

2.7.4.1. Pluma ................................................................................................ 43

2.7.4.2. Brazo ................................................................................................. 43

2.7.4.3 Balde .................................................................................................. 43

2.7.5. UNIDAD GIRATORIA ........................................................................... 44

2.7.5.1. Corona de giro ................................................................................... 45

2.7.5.2. Rodamiento ........................................................................................ 45

2.7.6. MOVIMIENTOS DE LA RETROEXCAVADORA .................................. 45

2.8. BANCO DIDÁCTICO ............................................................................... 46

3. METODOLOGÍA ......................................................................................... 48

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................... 51

4.1. CARACTERÍSTICAS DEL PROYECTO .................................................. 51

4.1.1. CARACTERISTICAS DEL ELEMENTO EXCAVADOR ........................ 51

4.2. DISEÑO MECÁNICO DEL ELEMENTO EXCAVADOR ........................... 52

4.2.1. MODELADO DE LA PLUMA ................................................................. 53

4.2.1.1. Propiedades de masa de la pluma ..................................................... 54

4.2.2. MODELADO DEL BRAZO .................................................................... 55

4.2.2.1. Propiedades de masa del brazo ....................................................... 55

4.2.3. MODELADO DEL BALDE ..................................................................... 56

4.2.3.1. Propiedades de masa del balde ......................................................... 57

4.2.4. MODELADO DE LA BASE DEL ELEMENTO EXCAVADOR ................ 57

4.2.4.1. Propiedades de la base ..................................................................... 58

4.2.5. MODELADO DE ELEMENTOS PARA LA ROTACIÓN ........................ 59

iv

4.2.5.1. Propiedades de masa del implemento y elemento de giro del

______.balde. ................................................................................................. 60

4.3. ANALISIS ESTÁTICO DE ELEMENTO EXCAVADOR ............................ 61

4.3.1. CÁLCULO DE CARGAS Y REACCIONES ........................................... 61

4.3.1.1. Cálculo de fuerzas y reacciones en los puntos críticos de la

______.pluma ................................................................................................. 61

4.3.1.2. Cálculo de cargas y reacciones en el brazo ....................................... 66

4.3.1.3. Cálculo de cargas y reacciones en el cucharòn ................................. 69

4.3.2. CÁLCULO DE ESFUERZOS EN LOS PUNTOS CRITICOS DEL

_____ELEMENTO EXCAVADOR. .................................................................. 71

4.3.2.1. Cálculo de esfuerzos en el punto A de la pluma ................................ 71

4.3.2.2. Cálculo de esfuerzos en B y en la base del cilindro ........................... 73

4.4. DISEÑO MECÁNICO DE LA UNIDAD GIRATORIA ................................ 76

4.4.1. MODELADO DE BASE DE LA UNIDAD DE GIRO ............................... 77

4.4.2. MODELADO DE LA CORONA DE GIRO ............................................. 78

4.4.3. MODELADO DEL PIÑÓN DE GIRO ..................................................... 79

4.4.4. MODELADO DE LA CARCASA DE LOS ENGRANAJES ..................... 79

4.5. DISEÑO DEL CIRCUITO OLEOHIDRAULICO ........................................ 80

4.5.1. SISTEMA OLEOHIDRÁULICO DEL BANCO DIDÁCTICO ................... 80

4.5.1.1. Circuito oleohidráulico de control del elemento excavador ................ 81

4.5.1.2. Circuito oleohidráulico de control de giro del bastidor superior .......... 82

4.5.2. SELECCIÓN DE ELEMENTOS OLEOHIDRÁULICOS ......................... 83

4.5.2.1. Selección de cilindros oleohidráulicos. .............................................. 83

4.5.2.2. Selección de bomba del sistema oleohidráulico ................................ 84

4.5.2.3. Selección del motor oleohidráulico. .................................................. 86

4.5.2.4. Selección de válvulas direccionales del circuito oleohidráulico de

______.control del elemento excavador ......................................................... 88

4.5.2.5. Selección del motor eléctrico ............................................................. 91

4.5.2.6. Selección del depósito de la unidad de abastecimiento ..................... 92

4.6. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DEL BANCO DIDACTICO .................... 94

4.6.1. MODELADO DE LA ESTRUCTURA ..................................................... 94

4.6.1.1. Propiedades de masa de la estructura metálica ................................ 95

4.6.2. MODELADO DEL PANEL DE INSTRUMENTOS ................................. 95

v

4.6.1.1. Propiedades de masa del panel de instrumentos .............................. 96

4.6.3. Análisis estático de la estructura del banco didáctico .......................... 97

4.7. CONSTRUCCIÓN DEL BANCO DIDÁCTICO DEL BRAZO Y GIRO

___.DE UNA RETROEXCAVADORA. .......................................................... 100

4.7.1. CONSTRUCCIÓN DEL ELEMENTO EXCAVADOR ........................... 102

4.7.1.1. Construcción de la pluma ................................................................ 102

4.7.1.2. Construcción del brazo .................................................................... 103

4.7.1.3. Construcción del cucharon y de los implementos de giro ................ 104

4.7.2. CONSTRUCCIÓN DE LA BASE DEL ELEMENTO EXCAVADOR ..... 105

4.7.3. CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA METÀLICA ....................... 107

4.7.4. CONSTRUCCIÓN DEL PANEL DE INSTRUMENTOS....................... 108

4.7.5. ENSAMBLE, MONTAJE E INSTALACIÓN DE LOS ELEMENTOS

_____CONSTITUTIVOS DEL BANCO DIDÁCTICO ..................................... 108

4.8. PUESTA A PUNTO DEL BANCO DIDÁCTICO ..................................... 110

4.8.1. NORMAS DE SEGURIDAD ................................................................ 110

4.8.2. MANEJO DEL SISTEMA OLEOHIDRAULICO ................................... 111

4.8.2.1. Operación previa al funcionamiento ................................................. 111

4.8.2.2. Encendido, apagado y paro de seguridad........................................ 111

4.8.2.3. Funcionamiento del sistema ............................................................ 112

4.8.3. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO ................................................... 112

4.8.3.1. Calibraciòn y levantamiento de informaciòn ..................................... 113

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................ 117

5.1. CONCLUSIONES ................................................................................ 117

5.2. RECOMENDACIONES ........................................................................ 118

BIBLIOGRAFIA ............................................................................................ 119

ANEXOS ....................................................................................................... 123

vi

ÍNDICE DE TABLAS

PÁGINA

Tabla 1. Simbología de las líneas en un circuito oleohidráulico. .................... 32

Tabla 2. Simbología de elementos de abastecimiento, transmisión y

_______accesorios. ........................................................................................ 33

Tabla 3. Simbología de las válvulas de vías o direccionales. ......................... 34

Tabla 4. Simbología de las válvulas reguladoras de presión. ......................... 35

Tabla 5. Simbología de las válvulas reguladoras de caudal. .......................... 35

Tabla 6. Simbología de seguridad. ................................................................. 36

Tabla 7. Simbología de accionamiento de las válvulas. ................................. 36

Tabla 8. Simbología de cilindros oleohidráulicos. ........................................... 37

Tabla 9. Simbología de motores oleohidráulicos. ........................................... 37

Tabla 10. Características del elemento excavador ......................................... 52

Tabla 11. Propiedades del acero ASTM A-36. ............................................... 53

Tabla 12. Propiedades físicas de la pluma. .................................................... 54

Tabla 13. Propiedades físicas del brazo. ....................................................... 56

Tabla 14. Propiedad de masa del balde ......................................................... 57

Tabla 15. Propiedad de masa del balde ......................................................... 58

Tabla 16. Propiedades físicas del implemento de giro del balde. ................... 60

Tabla 17. Propiedades físicas del elemento de enlace del balde. .................. 60

Tabla 18. Elementos del circuito del elemento excavador. ............................. 81

Tabla 19. Elementos del circuito del bastidor superior. .................................. 82

Tabla 20. Selección de cilindros por ponderación. ......................................... 83

Tabla 21. Datos de los cilindros Oleohidráulicos. ........................................... 84

Tabla 22. Datos técnicos de hidromotores Eaton de la serie J. ...................... 87

Tabla 23. Selección de válvulas por ponderación. ......................................... 88

Tabla 24. Volumen de aceite hidráulico del sistema. ...................................... 93

Tabla 25. Propiedades físicas de la estructura metálica. ............................... 95

Tabla 26. Propiedades físicas del panel de instrumentos. ............................. 97

Tabla 27. Equipos y herramientas utilizadas en el proceso de

________construcción. ................................................................................. 100

Tabla 28. Material y modelos de los sistemas del banco didáctico. ............. 101

vii

Tabla 29. Operaciones ejecutadas en la fabricación de los moldes de

________madera. ......................................................................................... 102

Tabla 30. Operaciones ejecutadas en la fabricación de la pluma................. 103

Tabla 31. Operaciones ejecutadas en la construcción del brazo.................. 104

Tabla 32. Operaciones ejecutadas en la fabricación del cucharon y los

________implementos de giro. ..................................................................... 105

Tabla 33. Operaciones ejecutadas en la fabricación de la base del

_______..elemento excavador. ..................................................................... 106

Tabla 34. Operaciones ejecutadas en la fabricación de la estructura del

________banco didáctico. ............................................................................ 107

Tabla 35. Operaciones ejecutadas en la fabricación del panel de

________.instrumento. ................................................................................. 108

Tabla 36. Operaciones ejecutadas en el ensamblaje montaje e

________instalación del elementos constitutivos del banco didáctico. ........ 109

Tabla 37. Velocidad de salida del vástago sin restricción de caudal. ........... 114

Tabla 38. Velocidad de salida del vástago con graduación de caudal. ........ 114

Tabla 39. Velocidad de retorno del vástago sin graduación de caudal. ........ 114

Tabla 40. Velocidad de retorno del vástago con graduación de caudal. ...... 115

Tabla 41. Velocidad del eje del hidromotor sin graduación de caudal. ......... 115

Tabla 42. Velocidad del eje del hidromotor sin graduación de caudal. ......... 116

viii

ÍNDICE DE FIGURAS

PÁGINA

Figura 1. Maquinaria pesada............................................................................ 5

Figura 2. Liquido en estado reposo confinado en un recipiente de vidrio. ....... 6

Figura 3. Fluido en movimiento. ....................................................................... 7

Figura 4. Aplicaciones de la oleohidráulica. ..................................................... 8

Figura 5. Aplicación de presión en un fluido y un sólido. ............................... 10

Figura 6. Presión del fluido en toda dirección. ............................................... 11

Figura 7. Aplicación de la multiplicación de fuerzas en un elevador

________hidráulico. ........................................................................................ 11

Figura 8. Desplazamiento del fluido en una cañería. ..................................... 12

Figura 9. Constitución del equipo oleohidráulico. ........................................... 14

Figura 10. Unidad de abastecimiento y transformación de energía. .............. 15

Figura 11. Unidad de control. ......................................................................... 16

Figura 12. Unidad de trabajo. ......................................................................... 17

Figura 13. Partes del depósito. ...................................................................... 18

Figura 14. Bombas hidráulicas. ...................................................................... 19

Figura 15. Clasificación de bombas oleohidráulicas. ..................................... 19

Figura 16. Partes de la bomba de engranajes. .............................................. 20



Figura 19. Clasificación de válvulas hidráulicas. ............................................ 22

Figura 20. Válvula reguladora de presión. ..................................................... 22

Figura 21. Válvula reguladora de cauda de tipo aguja. .................................. 23

Figura 22. Válvula compensadora de caudal por presión. ............................. 23

Figura 23. Válvula de vías. ............................................................................. 24

Figura 24. Válvula antirretorno. ...................................................................... 25

Figura 25. Posiciones de la válvula con apertura. .......................................... 26

Figura 26. Cilindro de simple efecto. .............................................................. 27

Figura 27. Cilindro de doble efecto. ............................................................... 27

Figura 28. Motor de giro oscilante. ................................................................. 28

Figura 29. Motor de giro continúo. ................................................................. 28

ix

Figura 30. Filtros en el circuito oleohidráulico. ............................................... 29

Figura 31. Tuberías y acoples de un circuito oleohidráulico. ......................... 30

Figura 32. Tuberías rígidas de acero. ............................................................ 30

Figura 33. Constitución de las tuberías flexibles. ........................................... 30

Figura 34. Tuberías flexibles. ......................................................................... 31

Figura 35. Racores roscados. ........................................................................ 31

Figura 36. Racores metálicos roscados y de conexión rápida. ...................... 31

Figura 37. Aplicaciones móviles de la oleohidráulica. .................................... 38

Figura 38. Retroexcavadora. .......................................................................... 39

Figura 39. Composición de la retroexcavadora. ............................................. 40

Figura 40. Bastidor inferior de la retroexcavadora. ........................................ 41

Figura 41. Bastidor superior de la retroexcavadora. ...................................... 41

Figura 42. Elemento excavador. .................................................................... 42

Figura 43. Partes del elemento excavador. .................................................... 42

Figura 44. Pluma de una retroexcavadora. .................................................... 43

Figura 45. Brazo de una retroexcavadora. ..................................................... 43

Figura 46. Balde de una retroexcavadora. ..................................................... 44

Figura 47. Partes de la unidad giratoria. ........................................................ 44

Figura 48. Corona de giro con rodamiento incorporado. ................................ 45

Figura 49. Rodamiento de la unidad giratoria. ............................................... 45

Figura 50. Movimientos de la retroexcavadora. ............................................. 46

Figura 51. Banco didáctico del laboratorio de hidráulica y neumática del

_________taller de ingeniería automotriz de la UTE. ..................................... 46

Figura 52. Bancos didácticos oleohidráulicos de Festo. ................................ 47

Figura 53. Modelado del brazo de una retroexcavadora ................................ 51

Figura 54. Vista frontal de la pluma ................................................................ 53

Figura 55. Sólido de la pluma en un acero ASTM A36. ................................. 54

Figura 56. Vista frontal del brazo ................................................................... 55

Figura 57. Solido del brazo en un acero ASTM A-36 con apariencia en

_________amarillo ......................................................................................... 55

Figura 58. Vista frontal del balde. ................................................................... 56

Figura 59. Solido del balde. ........................................................................... 57

Figura 60. Vista frontal de la base del elemento excavador. .......................... 58

x

Figura 61. Solido de la base........................................................................... 58

Figura 62. Implemento de giro del balde. ....................................................... 59

Figura 63. Elemento de enlace. ..................................................................... 59

Figura 64. Elementos de giro del balde. ......................................................... 60

Figura 65. Posición de excavación de la pala mecánica. ............................... 61

Figura 66. Centros de masa de los componentes de la pala excavadora. ..... 61

Figura 67. Proyección de las líneas de acción por el centro de masa. .......... 62

Figura 68. Línea de acción del AB y fuerza aplicada en el punto B. .............. 63

Figura 69. Diagrama de cargas en el elemento excavador. .......................... 64

Figura 70. Tensión, cargas y reacciones en el pivote D del brazo. ................ 66

Figura 71. Componentes de TB. ..................................................................... 66

Figura 72. Diagrama de cargas del brazo. ..................................................... 67

Figura 73. Tensión, cargas y reacciones en el punto G del balde. ................. 69

Figura 74. Componentes de TH. ..................................................................... 69

Figura 75. Diagrama de cargas en el balde. .................................................. 70

Figura 76. Esfuerzo cortante doble en el pasador de la pluma. ..................... 72

Figura 77. Esfuerzo por aplastamiento en el pivote de la pluma. ................... 72

Figura 78. Esfuerzos en la base de la pluma. ................................................ 73

Figura 79. Esfuerzo cortante en el eje de la pluma. ....................................... 74

Figura 80. Esfuerzo cortante doble en el pasador del cilindro que levanta

_________la pluma. ....................................................................................... 74

Figura 81. Esfuerzo por aplastamiento en el orificio del cilindro de la pluma. 75

Figura 82. Esfuerzos en la base del cilindro de la pluma. .............................. 75

Figura 83. Base de la unidad giratoria y engranajes. ..................................... 77

Figura 84. Sòlido de la base de la unidad de giro .......................................... 77

Figura 85. Corona de giro. ............................................................................. 78

Figura 86. Vista frontal de la corona de giro. ................................................. 78

Figura 87. Piñón de giro. ................................................................................ 79

Figura 88. Vista frontal del piñón de giro. ....................................................... 79

Figura 89. Carcasa de la unidad de giro. ....................................................... 80

Figura 90. Circuito oleohidráulico del brazo hidráulico del banco didáctico. .. 81

Figura 91. Circuito oleohidráulico de control del bastidor superior del

_________banco didáctico. ............................................................................ 82

xi

Figura 92. Cilindros hidráulicos de doble efecto con conexión NPT. ............. 84

Figura 93. Hidromotor. ................................................................................... 86

Figura 94. Unidad de abastecimiento del banco didáctico. ............................ 93

Figura 95. Vista frontal de la estructura del banco didáctico. ......................... 94

Figura 96. Sólido de la estructura metálica en un acero ASTM A36. ............. 95

Figura 97. Vista frontal del panel de instrumentos. ........................................ 96

Figura 98. Sólido de la estructura metálica en un acero ASTM A36. ............. 96

Figura 99. Posición del banco didáctico previo al análisis estático de la

_________estructura. ..................................................................................... 97

Figura 100. Distribución de cargas a lo largo de la línea de acción de la

_________estructura metálica. ....................................................................... 98

Figura 101. Moldes de madera para el elemento excavador. ...................... 102

Figura 102. Pluma. ....................................................................................... 103

Figura 103. Brazo. ........................................................................................ 104

Figura 104. Balde e implementos de giro. .................................................... 105

Figura 105. Base del elemento excavador. .................................................. 106

Figura 106. Estructura metálica del banco didáctico. ................................... 107

Figura 107. Panel de instrumentos. ............................................................. 108

Figura 108. Banco didáctico del proyecto. ................................................... 110

xii

ÍNDICE DE ANEXOS

PÁGINA

Anexo 1.

Especificaciones de la retroexcavadora 374D L ...................................... 122

Anexo 2.

Planos de la pluma .................................................................................. 124

Anexo 3.

Planos del brazo ...................................................................................... 125

Anexo 4.

Planos del balde ...................................................................................... 126

Anexo 5.

Planos de la base .................................................................................... 127

Anexo 6.

Planos del implemento de giro ................................................................. 128

Anexo 7.

Planos del elemento de enlace ................................................................ 129

Anexo 8.

Planos de la base de la unidad de giro .................................................... 130

Anexo 9.

Planos de la corona de giro ..................................................................... 131

Anexo 10.

Planos del piñon de giro .......................................................................... 132

Anexo 11.

Planos de la carcaza ................................................................................ 133

Anexo 12.

Catalogo de bombas Honor ..................................................................... 134

Anexo 13.

Catalogo de hidromotores Eaton de la serie j .......................................... 136

Anexo 14.

Catalogo de motores electricos Weg ....................................................... 137

Anexo 15.

Planos de la estructura ............................................................................ 138

xiii

Anexo 16.

Planos del panel de instrumentos ............................................................ 139

Anexo 17.

Imágenes ilustrativas del proceso de construccion de la pluma .............. 140

Anexo 18.

Imágenes ilustrativas del proceso de construccion del brazo .................. 141

Anexo 19.

Imágenes ilustrativas del proceso de construccion del cucharon e

_.implementos de giro ................................................................................. 142

Anexo 20.

Imágenes ilustrativas de la construccion de la base del elemento _-

...excavador ................................................................................................ 143

Anexo 21.

Imágenes ilustrativas de la construccion de la estructura ........................ 144

Anexo 22.

Imágenes ilustrativas de la construccion del panel de instrumentos ........ 145

Anexo 23.

Imágenes ilustrativas del ensamble del banco didactico ......................... 146

Anexo 24.

Guias de práctica ..................................................................................... 147

1

RESUMEN

El presente trabajo corresponde al diseño y construcción de un banco didáctico

del sistema hidráulico del brazo y giro de la cabina de una retroexcavadora, su

ejecución partió del diseño de todos los componentes del brazo excavador y

de giro a través del modelado y el análisis estático, luego se realizó una

selección de los elementos hidráulicos en base a una ponderación o

justificación cuantitativa, posteriormente se construyó y se ensambló los

elementos a la estructura del banco didáctico. La unidad de abastecimiento

puede acumular hasta 10 litros de aceite hidráulico, para el suministro de fluido

al sistema hidráulico se determinó utilizar una bomba de engranes de 0.95

galones por minuto a 1800 revoluciones, es decir, entrega 2cm3 por cada giro

del eje de la bomba, a esta unidad se incorporó un motor eléctrico de 0.37kW

que desarrolla la velocidad antes mencionada, además, generó una presión

máxima de 5.8MPa, para el sistema de control se escogió un bloque de

válvulas direccionales 6/3, pues lleva incorporado en su interior una válvula

reguladora de presión, por medio de ella se reguló la presión de trabajo a

3MPa, cabe destacar, que se optó por utilizar válvulas 6/3 para que el motor

eléctrico parta sin carga, para la visualización de la presión de trabajo se

incorporó un manómetro de 4.13MPa y se lo acopló a la línea de presión del

bloque de válvulas. Las válvulas direccionales tienen un accionamiento por

palanca y retornan por medio de un muelle, del mando hidráulico los conductos

se enlazaron a las válvulas reguladoras de caudal de un solo sentido que

regulan la velocidad de los actuadores. El brazo mecánico cuenta con tres

cilindros de doble efecto: uno levanta la pluma, el segundo acciona el brazo y

el tercero mueve el balde, el diámetro interno de su camisa tiene 43mm, sus

carreras oscilan entre 80mm y 150mm y la presión máxima de trabajo es de

6MPa, con respecto a la unidad de giro se decidió optar por un motor

hidráulico que tiene un desplazamiento de 8.2cm3 por cada giro de su eje y

generó 6.97 revoluciones en un segundo al utilizar la presión máxima del

sistema hidráulico.

2

ABSTRACT

This document corresponds to the design and construction of a training bench

hydraulic arm and turn the cab of a backhoe, execution left the design of all

components of the excavator arm and turning through modeling and static

analysis, then a selection of the hydraulic elements are made based on a

weighting or quantitative justification, subsequently built and the elements to

the structure of the didactic bench was assembled. The supply unit may

accumulate up to 10 liters of hydraulic oil to supply fluid to the hydraulic system

was determined using a gear pump 0.95 gallons per minute at 1800 rpm, you

see, delivery 2cm3 per rotation of the pump shaft, this unit 0.37kW electric

motor which develops the aforementioned speed up, also generated a

maximum pressure of 5.8MPa, for the control system block 6/3 directional

valves was chosen because incorporates in its interior a pressure regulating

valve, through her work pressure 3 MPa was regulated, it is noteworthy that

chose to use 6/3 valves for the electric engine starts without charge, for viewing

the working pressure he incorporated manometer 4.13MPa and coupled to the

pressure line valve block. Directional valves have an actuation lever and return

by means of a spring, the hydraulic control ducts to flow control valves were

linked in one way that regulate the speed of the actuators. The mechanical arm

has three double-acting cylinders, one lifts the pen, the second drives the arm

and the third moves the bucket, the inner diameter of the shirt has 43mm, their

careers are between 80 mm and 150 mm and maximum working pressure it is

6MPa with respect to the turntable it was decided to opt for a hydraulic motor

having a displacement of 8.2cm3 per rotation and its axis generated 6.97 turns

per second, when using the maximum hydraulic system pressure.

INTRODUCCIÓN

3

1. INTRODUCCIÓN

La retroexcavadora es una de las maquinarias pesadas más utilizadas en el

área de la construcción, “Su principal función está dada por el brazo y la

cuchara, la presión es generada cuando el aceite en la bomba hidráulica se

transmite hacia los cilindros, permitiendo la salida o la entrada del vástago, lo

que produce el movimiento del brazo” (Salazar, 2008, p.3). La

retroexcavadora, cuenta con circuitos oleohidráulicos complejos y muy

peligrosos, por ende, su sistema debe ser conservado periódicamente por

técnicos automotrices altamente calificados, sin embargo, eso no sucede, ya

que, el acceso a material bibliográfico y didáctico referente a este tipo de

maquinaria es restringido, tanto por el costo del sistema hidráulico y el recelo

de las empresas a la fuga de información, por tal razón, la información

existente es muy confidencial y escasa.

Históricamente el País ha venido creciendo progresivamente y actualmente se

encuentra en el proceso del cambio de la matriz productiva, lo que ha

implicado que empresas públicas y privadas realicen obras de construcción de

gran envergadura tales como carreteras, edificaciones, hidroeléctricas, etc. Y

para ello utilizan maquinaria pesada, por tal razón, se crea la necesidad de que

el país cuente con profesionales automotrices altamente calificados en esta

área, es decir, que puedan dar mantenimiento a este tipo de equipos, con la

finalidad de que el aceite del sistemas oleohidráulico no contamine el medio

ambiente y que los tiempos estipulados de los proyectos se cumplan.

Parte de los requerimientos de un taller de Ingeniería Automotriz, es disponer

de material didáctico, con el fin, de que el aprendizaje recibido en

capacitaciones, cursos o en clase concatene y se complemente con la

práctica, pero en nuestro país no se construyen bancos didácticos de

hidráulica y los pocos que se ofertan son importarlos y por ende el costo es

muy elevado, de ahí nace la necesidad de crear un banco didáctico del

sistema hidráulico del brazo y giro de la cabina de una retroexcavadora.

El objetivo principal de este trabajo es: diseñar, construir e implementar un

banco didáctico del sistema hidráulico del brazo y giro de la cabina de una

4

retroexcavadora; a través del modelado de elementos mecánicos, el análisis

estático de elementos críticos, el cálculo y sustentación para la selección de

elementos oleohidráulicos.

Dentro de los objetivos específicos están: Analizar los sistemas oleohidráulicos

y al mismo tiempo ratificar las aplicaciones hidráulicas en la retroexcavadora

para conocer la constitución de un equipo oleohidráulico y los elementos

mecánicos y de giro de una retroexcavadora. Diseñar los circuitos

oleohidráulicos y seleccionar los elementos del sistema hidráulico a través de

la modelación y el cálculo de caudal requerido en el sistema. Construir los

elementos mecánicos del brazo y a la vez ensamblar los circuitos

oleohidráulicos por medio de la ejecución de varios procesos donde se destaca

la soldadura, el acabado superficial y el ensamblaje. Desarrollar guías de uso y

práctica a través de la utilización de software, manuales y la puesta a punto

del sistema para garantizar la seguridad, el buen uso y la preservación del

banco didáctico.

Se optará por un sistema hidráulico, para que, los movimientos sean más

precisos comparados con un sistema neumático, el brazo mecánico será

construido en acero y tendrá una escala de 1:10 con respecto a la

retroexcavadora 374D con la finalidad de que sea compacto, el sistema

mecánico de las unidades del brazo y de giro van a ir fraccionadas e irán

acopladas a una estructura metálica, que a su vez, contará con un panel de

instrumentos en la parte central del banco didáctico donde se alojarán las

válvulas reguladoras de caudal, este medio didáctico no excederá los 1.3m de

largo, los 1.40m de alto y los 0.6m de ancho, además será de fácil traslado.

MARCO TEÓRICO

5

2. MARCO TEÓRICO 2.1. HIDRÁULICA La hidráulica es un medio para transferir energía y crear movimientos a través

de un fluido sometido a presión, es decir, se utiliza fluidos hidráulicos

incompresibles con la finalidad de transferir energía a elementos que generan

trabajo.

Las aplicaciones de la hidráulica pueden generar altas presiones, pero a su

vez, estas presiones pueden ser reguladas, controladas y conducidas de tal

manera que generan un beneficio al momento de generar trabajo.

En el campo automotriz se puede encontrar un sin número de aplicaciones de

la hidráulica, en la figura 1 se puede observar algunas de las aplicaciones

móviles de la hidráulica en maquinarias para la construcción.

Figura 1. Maquinaria pesada.

Las aplicaciones de la hidráulica tienen como pilar fundamental a la mecánica

de fluidos, ya que, la mecánica de fluidos estudia los fluidos en reposo y

movimiento.

2.1.1. HIDROSTÁTICA La hidrostática estudia todo lo concerniente a los líquidos en equilibrio, o en

relativo estado de reposo, cabe destacar, que un fluido permanece en reposo

siempre y cuando haya una deserción de fuerzas que intenten deformarle.

6

La presión de un fluido liquido en relativo estado de reposo que ejerce sobre

las paredes o superficie en el que está alojado es perpendicular a las mismas y

varía de acuerdo a su densidad del fluido y sobre todo a la altura En la figura 2

la presión que ejerce el fluido en h1 es menor que en h2.

Figura 2. Liquido en estado reposo confinado en un recipiente de vidrio.

La presión hidrostática se determina bajo la siguiente formula:

[1]

Dónde:

P: presión en pascales (Pa)

: densidad del fluido (kg/m3)

: gravedad (m/s2)

h: altura (m)

2.1.2. HIDRODINÁMICA La hidrodinámica estudia el comportamiento de los fluidos líquidos en

movimiento. En hidrodinámica ya no existe una ausencia de fuerzas, contrario

a ello, el someter un fluido a una fuerza puede crear un desplazamiento del

fluido a través de una superficie o conducto.

En la figura 3 se puede observar un fluido liquido en dos depósito conectados

entre sí por un conducto, en el embolo pequeño se aplica fuerza, la fuerza

generada en el embolo lo desplaza y por ende el fluido sale de su estado de

7

reposo, lo cual genera movimiento del fluido y a su vez del otro embolo por el

desplazamiento del volumen del fluido.

Figura 3. Fluido en movimiento.

El utilizar un fluido líquido en los sistemas hidráulicos tiene ventajas como:

Los líquidos son relativamente incompresibles y por lo tanto transmite

energía con gran eficiencia.

Pueden adoptar la forma del recipiente o conducto de un sistema

hidráulico.

Los sistemas hidráulicos en el campo automotriz podrían utilizar agua como

fluido, pero el usar este tipo de elemento por su composición podría causar

inconvenientes de cavitación, corrosión y congelación, lo más conveniente es

primero utilizar un fluido isotrópico, y por supuesto un aceite hidráulico cumple

con diferentes condiciones de diseño y funcionamiento, cabe destacar que al

utilizar el aceite como fluido en diferentes sistemas en el campo automotriz

hace que no se la conozca como hidráulica sino como oleohidráulica.

2.1.3. OLEOHIDRÁULICA Es un medio para transferir energía, crear y controlar movimientos mediante un

aceite sometido a presión. La oleohidráulica tiene muchas aplicaciones tal

como se puede ver en la figura 4 donde se puede se destaca los equipos

especiales tanto móviles como fijos, maquinaria de construcción, fábricas de

producción, etc.

8

Figura 4. Aplicaciones de la oleohidráulica.

2.1.3.1. Ventajas de la oleohidráulica

La oleohidráulica tiene las siguientes ventajas:

Trasferencia y multiplicación de fuerzas por reducción de áreas de

elementos en contacto con el fluido.

Control de movimientos, fuerza y posicionamiento con gran precisión.

Fácil control de velocidad e inversión de movimiento.

Protección de elementos del sistema ante sobre cargas.

2.1.3.2. Desventajas de la oleohidráulica

Las desventajas en estos sistemas son:

Altas presiones de funcionamiento generando un riesgo para los

operadores ante una fuga en el sistema.

Riesgo de accidentes por fugas y contaminación del medio ambiente.

Alto costo de elementos del sistema.

9

Desgaste de sellos, elementos móviles y fijos del sistema por suciedad en

el ambiente o el medio que se encuentra.

Problemas por propiedades del fluido y temperatura del mismo, por lo tanto

baja eficiencia.

2.1.3.3. Características de los aceites hidráulicos

Los aceites que se utiliza en los sistemas oleohidráulicos deben cumplir con

las siguientes características:

Lubricar los elementos del sistema, ser compatible con los anillos de goma

y tener una acción sellante.

El punto de ebullición debe ser alto para evitar problemas de cavitación.

El punto de congelación debe ser muy bajo para garantiza el

funcionamiento del sistema en lugares con climas por debajo de 0°C.

2.1.3.4. Propiedades de los aceites hidráulicos

El aceite utilizado en los sistemas oleohidráulicos debe tener buenas

propiedades, con la finalidad, de que los elementos que componen las

diferentes unidades del sistema realicen su trabajo de manera eficiente.

Las principales propiedades de los aceites hidráulicos son:

Viscosidad.

Peso específico.

Inflamabilidad.

Antioxidante.

Compatibilidad con las juntas.

Untuosidad.

El aceite que se utiliza en los sistemas oleohidráulicos está sometido a altas

presiones y temperatura, estos factores afectan a la eficiencia del sistema, y

sobre todo en la viscosidad del lubricante.

10

2.2. PRINCIPIOS DE LA HIDRAULICA

La hidráulica al ser parte de la física analiza varios principios para su

aplicación, que rigen el movimiento de los fluidos líquidos y las técnicas para

mejorar su aprovechamiento, entre ellos se encuentran la presión, el caudal,

velocidad del caudal, etc.

2.2.1. PRESIÓN

La presión es la relación entre la fuerza aplicada y la superficie en la cual actúa

(Sohipren S.A, 2005, p.3). Dos ejemplos de la aplicación de fuerza en

diferentes superficies se muestran en la figura 5.

Figura 5. Aplicación de presión en un fluido y un sólido.

La fórmula de presión es la siguiente:

[2]

Dónde:

P: presión en pascales (Pa)

F: fuerza en newton (N)

A: área en metros cuadrados (m2)

2.2.2. PRINCIPIO DE PASCAL

El principio de Pascal dice “La presión aplicada a un líquido confinado se

transmite uniformemente en toda dirección, y ejerce fuerzas iguales sobre

áreas iguales” (Sohipren S.A, 2005, p.2).

11

En la figura 6 se muestra uno de los ejemplos más comunes para entender

este principio.

Figura 6. Presión del fluido en toda dirección.

El principio de pascal es la base para comprender la multiplicación de fuerza

mediante un fluido líquido sometido a una presión. En la figura 7 se puede

observar una aplicación de la multiplicación de fuerzas.

Figura 7. Aplicación de la multiplicación de fuerzas en un elevador hidráulico.

La multiplicación de fuerza está dada por la siguiente relación entre presiones:

[3]

La aplicación de fuerza en el embolo de menor diámetro es mínima

comparada con la capacidad de respuesta en el segundo embolo, las paredes

donde se encuentra confinado el fluido no se deben deformarse.

12

2.2.3. CAUDAL El caudal es la cantidad de fluido líquido que paso por un punto de referencia

en un determinado tiempo (Sohipren S.A, 2005, p.5).

En la figura 8 se muestra el desplazamiento de un fluido líquido.

Figura 8. Desplazamiento del fluido en una cañería.

(Cabrera, 2015)

La fórmula del caudal es la siguiente:

[4]

Dónde:

Q: caudal volumétrico (m3/s)

v: volumen (m3)

t: tiempo (s)

La fórmula del caudal en relación a la velocidad de flujo y la sección del área

interna del conducto en el que se desplaza viene dada por:

[5]

Dónde:


A: área interna de la cañería (m2)

V: Velocidad (m/s)

Q

13

2.2.4. VELOCIDAD DEL FLUIDO Es el tiempo que tarda un fluido en pasar por una cañería en una determinada

distancia. La velocidad de un fluido se la deduce de la formula [4].

[6]

Cabe destacar que en un circuito hidráulico puede existir una diferencia en

cuanto al área de los conductos enlazadas entre sí, por tanto, se puede aplicar

la ecuación de continuidad para encontrar la diferencia de velocidad ante una

diminución o aumento del área.

A1V1=A2V2 [7]

2.2.5. FLUJO LAMINAR En un circuito oleohidráulico es muy importante que las partículas del fluido se

muevan de manera paralela, pues, generan menor resistencia a su paso por

una tubería, para determinar si un fluido es laminar o turbulento se aplica el

número de Reynolds, si es Re<2000 el flujo es laminar, si Re>4000 el flujo es

turbulento y si el Re=2000 la velocidad es crítica.

[8]

Dónde:

Re: número de Reynolds (adimensional)

V: velocidad del fluido (m/s)

Dc: longitud del diámetro interior de una tubería (m)

Ѵ: viscosidad cinemática (m2/s)

El determinar el tipo de flujo en una maquina hidráulica es de vital importancia,

puesto que, al comportarse un fluido diferente al laminar causaría un aumento

en la resistencia del fluido a su paso por conductos y de temperatura, por ende

existirá perdidas en el sistema.

14

2.3. CONSTITUCIÓN DE UN EQUIPO OLEOHIDRÁULICO Todo equipo oleohidráulico cuenta con las siguientes unidades:

Unidad de almacenamiento y transformación de energía.

Unidad de control.

Unidad de trabajo.

En la figura 9 se presenta un diagrama de cómo está constituido un equipo

oleohidráulico.

Figura 9. Constitución del equipo oleohidráulico.

2.3.1. UNIDAD DE ALMACENAMIENTO Y TRANSFORMACIÓN DE

ENERGÍA

En primer lugar la unidad de almacenamiento del aceite hidráulico empieza

desde el depósito, este elemento abastece a todo el sistema oleohidráulico con

fluido.

15

Esta fracción de la unidad lo componen los siguientes elementos:

Depósito.

Indicador de nivel del fluido.

Manómetro.

Filtro de aceite.

Filtro Respiradero.

Finalmente la unidad de transformación de energía succiona el aceite y

suministra caudal al sistema.

Esta unidad está constituida por los siguientes elementos:

Bomba Hidráulica.

Motor de combustión interna u eléctrico.

Medios de acople para la transmisión del movimiento del motor hacia la

bomba hidráulica.

Limitadora de presión.

Las unidades antes descritas se muestran en la figura 10.

Figura 10. Unidad de abastecimiento y transformación de energía.

16

2.3.2. UNIDAD DE CONTROL Esta unidad es la encargada de emitir señales de control que posteriormente

se transforma en movimiento en los actuadores, es decir, direcciona el caudal

para generar movimiento mediante señales.

Esta unidad se la puede observar en la figura 11 y lo conforman los siguientes

elementos:

Válvulas de vías.

Válvulas reguladoras de caudal.

Válvulas reguladoras de presión.

Válvulas de antirretorno.

Funciones lógica.

Válvulas de cierre.

Figura 11. Unidad de control.

17

2.3.3. UNIDAD DE TRABAJO Esta unidad está constituida por actuadores que se muestran en la figura 12 y

se encargan de generar movimientos lineales o rotativos, es decir, se

transforma la presión del fluido en movimiento operativo (Lenin, 2012, p.29).

La unidad de acción lo conforman los siguientes actuadores:

Cilindros de simple o doble efecto.

Motores Hidráulicos.

Figura 12. Unidad de trabajo.

Los actuadores pueden generar trabajo en un solo sentido o en otro, en el

caso de los hidromotores o motores hidráulicos pueden ser unidireccionales o

bidireccionales.

18

2.4. ELEMENTOS DE LOS SISTEMAS OLEOHIDRÁULICOS

Los elementos fundamentales de todo sistema oleohidráulico se encuentran

enlazados entre sí, empieza desde el depósito y culmina en los actuadores

oleohidráulicos.

2.4.1. DEPÓSITO

A este elemento se lo conoce también como tanque de reserva y tiene como

función principal suministrar y almacenar aceite hidráulico en perfectas

condiciones para todo el sistema oleohidráulico, por tal razón, este elemento

puede contar con sistemas de calefacción y refrigeración, para mantener las

propiedades del fluido y por consiguiente que la maquina oleohidráulica sea

eficiente.

Las partes del depósito se presentan en la figura 13 y a continuación cada uno

de sus nombres.

Figura 13. Partes del depósito.

a) Cubierta superior

b) Junta

c) Indicador del nivel de fluido

d) Tapón de llenado

e) Tapón de drenado

f) Conducto de Aspirado

g) Conducto de retorno

h) Filtro de aceite

i) Filtro de aire

j) Separador

k) Colador

19

2.4.2. BOMBAS OLEOHIDRÁULICAS

Este elemento es uno de las más importantes en todo sistema oleohidráulico y

existe una gran gama de bombas en el mercado tal como se ve en la figura 14,

este elemento se encarga de suministrar caudal a los conductos del sistema,

cabe recalcar, que la bomba por sí sola no puede crear movimiento para que

sus mecanismos empiecen a funcionar, por ello, está conectada a un motor

eléctrico o de combustión interna que entrega energía mecánica rotacional.

Figura 14. Bombas hidráulicas.

Existen varios tipos de bombas Hidráulicas y en la figura 15 se puede

encontrar una clasificación básica, cabe destacar, que una de las bombas más

empleadas en los sistemas oleohidráulicos son las bombas de engranajes por

su simplicidad.

Figura 15. Clasificación de bombas oleohidráulicas.

20

2.4.2.1. Bomba de engranajes.

Este elemento cuenta con un conjunto de engranajes, uno de los piñones

recibe el par de torsión del motor eléctrico o de combustión interna mientras

que el otro piñón es impulsado por el anterior, en conjunto succionan aceite y

lo transportan entre sus dientes y las paredes de la carcasa. En la figura 16 se

puede observar la composición de una bomba de engranajes externos.

Figura 16. Partes de la bomba de engranajes.

2.4.2.2. Bomba de paletas.

Transporta el aceite entre las paletas y las paredes de la bomba mientras un

rotor excéntrico gira, las paletas están comprimidas hacia las paredes de la

bomba por medio de muelles para realizar un sellado hermético, tal como se

ve en la figura 17.


(Sohipren S.A, 2005)

21

2.4.2.3. Bomba de pistones.

Las bombas de pistones más comunes en oleohidráulica son las axiales, esta

se muestra en la figura 18, los pistones están alojados en unas camisas, el

bloque de camisas gira con respecto al eje mientras que los pistones oscilan

por estar conectados en un plano inclinado y transportan el aceite entre las

paredes de las camisas y el pistón.



Este tipo de bombas es más utilizado en el área de maquinaria pesada puesto

que proporciona un alto caudal y tiene una gran eficiencia además cabe

mencionar que las bombas de pistones son muy sensible a las partículas

abrasivas.

2.4.3. VÁLVULAS HIDRÁULICAS

En los sistemas oleohidráulicos existen una gama muy amplia de válvulas y su

función primordial son direccionar el flujo, regular la presión o controlar el

caudal para cumplir con los diferentes parámetros de diseño.

Las válvulas hidráulicas más utilizadas en los sistemas oleohidráulicos se

muestran en la figura 19 pero en sí se clasifican en:

Válvulas reguladoras de presión.

Válvulas reguladoras de caudal.

Válvulas direccionales o de vías.

Válvulas de seguridad.

22

Figura 19. Clasificación de válvulas hidráulicas.

2.4.3.1. Válvula reductora de presión Las válvulas reductoras de presión se encuentran en una posición

normalmente abierta, se las utiliza para controlar y tener una presión menor a

la del sistema en un lugar específico del circuito, el exceso de presión se capta

a la salida de la válvula y es cuando la válvula actúa en forma de

estrangulación ya que la presión del fluido vence la fuerza del muelle que se

encuentra en su interior.

Figura 20. Válvula reguladora de presión.

(FESTO, 2013)

2.4.3.2. Válvula reductora de caudal Este tipo de elementos regulan la cantidad de fluido que pasa al sistema, por

tanto, genera una resistencia al circuito que se encuentra antes de su

ubicación y se traduce en una subida de presión en la obturación.

23

Estas válvulas están ligadas directamente con la velocidad de trabajo de los

actuadores, se puede encontrar las siguientes válvulas reguladoras de caudal:

Válvulas reguladoras de caudal fijas y regulables.

Válvulas reguladoras de caudal compensadas por presión.

Las válvulas reguladoras de caudal más frecuentes son válvulas de aguja, a

medida que la aguja de la válvula se aleja se su asiento, el caudal aumenta,

cabe matizar, que el caudal también puede aumentar si la presión del sistema

antes de este elemento se eleva, en la figura 21 se muestra este tipo de

válvula.

Figura 21. Válvula reguladora de cauda de tipo aguja.

Las válvulas compensadoras de caudal por presión tienen como finalidad

entregar una presión constate al sistema, así exista una diferencia de presión

antes de pasar por este elemento. Este tipo de válvulas se utilizan para que la

velocidad en los actuadores no varíe, la estructura interna de este elemento se

muestra en la figura 22.

Figura 22. Válvula compensadora de caudal por presión.


24

2.4.3.3. Válvulas direccionales

Estas válvulas son conocidas también como válvulas de vías, tiene como

función principal controlar el sentido de dirección del flujo en un circuito, es

decir, controla el movimiento tanto de avance, retroceso y de paro de un

actuador en específico. En la figura 23 se puede observar una gran gama de

estas válvulas.

Figura 23. Válvula de vías.

Las válvulas de vías más comunes utilizadas en los sistemas oleohidráulicos

son las de carrete, las formas de accionamiento más comunes son:

Palanca de mano.

Mecánica.

Piloto hidráulico.

La nomenclatura de las válvulas de vías tienen dos variables x/y, donde x

determina el número de vías y la siguiente variable señala la cantidad de

posiciones de la válvula, además la válvula direccional pueden estar

normalmente abierta o cerrada en su estado de reposo.

2.4.4. VÁLVULAS HIDRÁULICAS DE SEGURIDAD

Las válvulas de seguridad tienen como finalidad mantener la presión de

operación en el sistema, además, ante un paro repentino de suministro de

fluido por parte de la bomba, garantizan que los actuadores no generen algún

25

movimiento por las cargas a las que están sometidos. Las válvulas de

seguridad son las más utilizadas en los sistemas hidráulicos.

2.4.4.1. Válvulas de bloqueo

Este tipo de válvulas tienen como función controlar el paso del fluido en un

sentido y en el otro lo bloquea, por lo tanto, se evita que las válvulas de control

se sobrecarguen, debido a la presión generada por las cargas a las que estén

sometidos los actuadores.

Existen dos tipos de válvulas de bloqueo:

Antirretorno.

Antirretorno con apertura.

Las válvulas de antirretorno, permite el paso del fluido en un solo sentido y si

existe un retroceso se bloquea por efecto del muelle en su interior, tal como se


Figura 24. Válvula antirretorno.

Las válvulas antirretorno con apertura o desbloqueables en primer término

permite el paso del fluido en una dirección y si existe un retroceso de fluido se

bloquea en la otra dirección, el paso de fluido puede permitirse mediante una

señal que en la mayoría de los casos es mediante la presión del fluido ejercida

en el embolo, tal como se puede observar en la figura 25.

.

26

Figura 25. Posiciones de la válvula con apertura.

(Berrondo, Oquiñeda, & Belen, 2007)

2.4.5. ACTUADORES HIDRÁULICOS

Los actuadores tienen como función convertir la potencia hidráulica en

movimiento lineal o giratorio (Berrondo, Oquiñeda, & Belen, 2007, p.40).

Dentro de los actuadores tenemos los siguientes:

Cilindros.

Hidromotores.

2.4.5.1. Cilindros de simple efecto

Este tipo de elemento transforma la potencia hidráulica en movimiento lineal,

en un solo sentido, cuenta con un solo conducto para la entrada y salida del

fluido, tal como se ve en la figura 26, para el retroceso se elimina la presión y

se canaliza el retorno del fluido al tanque por medio del efecto de la gravedad,

27

la presión generada por la carga a la que es sometido, o por un muelle

incorporado en su interior lo que hace que retorne a su estado inicial.

Figura 26. Cilindro de simple efecto.

2.4.5.2. Cilindros de doble efecto

Este actuador tiene la particularidad de generar movimiento en los dos

sentidos, es decir, mientras en un sentido aumenta el volumen del fluido en la

otra cámara se desplaza y retorna al depósito tal como se ve en la figura 27.

Figura 27. Cilindro de doble efecto.

Tanto los cilindros de simple como de doble efecto pueden ser telescópicos,

este tipo de cilindros se utiliza cuando se requiere que el alcance del vástago

del cilindro sea superior a la de un cilindro oleohidráulico normal.

2.4.5.3. Motores Hidráulicos

Estos motores son conocidos también como hidromotores, tiene la finalidad de

transformar la potencia hidráulica en energía mecánica rotacional.

Los hidromotores se clasifican según el giro y tenemos los siguientes:

Hidromotores de giro oscilante.

Hidromotores de giro continúo o variable.

28

Los motores de giro oscilante cuentan con una cremallera y por tal razón el

ángulo de giro de este motor está limitado a su longitud.

Este tipo de motores se asimila a un cilindro de doble efecto, en la figura 28 se

puede observar una de sus cámaras y el vástago en la culminación de su

carrera.

Figura 28. Motor de giro oscilante.


Los hidromotores de giro continuo o variable tienen la característica de no

tener un ángulo de giro limitado y al contrario lo hace continuamente, las

etapas de este elemento se muestra en la figura 29, cabe destacar, que la

velocidad está ligada al caudal del sistema y el par de giro a la presión del

fluido, además estos motores pueden ser unidireccionales o bidireccionales

todo depende del tipo de aplicación.

Figura 29. Motor de giro continúo.


29

2.4.6. FILTROS EN UN EQUIPO OLEOHIDRAULICO Los filtros son elementos de gran importancia en cualquier sistema

oleohidráulico, tienen como misión retener todo tipo de impureza evitando que

elemento particulado y sedimentos causen un desgaste prematuro en

elementos móviles o una obstrucción en ellos, por ende, alarga la vida útil de

los demás elementos oleohidráulicos. Los filtros que se puede encontrar en un

circuito oleohidráulico se muestran en la figura 30.

Figura 30. Filtros en el circuito oleohidráulico.

La eficiencia de toda máquina hidráulica depende del estado de sus elementos

y por tal razón se necesita garantizar que el fluido que ingresa y recorre por

todo el circuito se encuentre siempre limpio, por ello, se podrá encontrar filtros

a lo largo del circuito con diferentes especificaciones en cuanto al tamaño de

partículas que puede atrapar y las presiones que puede soportar.

2.4.7. TUBERÍAS Y ACOPLES HIDRÁULICOS Los medios de conexión entre los diferentes elementos en los sistemas

oleohidráulicos son las tuberías rígidas o flexibles, en sus extremos cuenta con

racores, estos elementos de unión garantizan que no existan fugas de fluido

por la presión de operación, tal como se muestra en la figura 31.

30

Figura 31. Tuberías y acoples de un circuito oleohidráulico.

Las tuberías rígidas en su mayoría son de acero, por lo regular se utilizan en

tramos del circuito para soportar altas presiones, tal como se puede ver en la

figura 32, también se suelen utilizar cañerías de cobre.

Figura 32. Tuberías rígidas de acero.

Las tuberías flexibles son utilizadas en su mayoría cuando; en el sistema

existen movimientos lineales, giros u existe un exceso de vibraciones, esta

última puede causar un exceso de ruido en el ambiente. Este tipo de tuberías

tiene en su interior varias capas que garantizan que el diámetro interior no se

deforme y por ende no se generen chorros cortantes, las capas que conforman

una manguera hidráulica se muestra en la figura 33.

Figura 33. Constitución de las tuberías flexibles.

(Finning Chile S.A, 2015)

Los acoples o racores pueden variar tanto en su material como en la forma de

unión a los elementos del circuito, tal como se muestra en la figura 34.

31

Figura 34. Tuberías flexibles.

Los racores más importantes son los que se encuentran en el circuito de alta

presión y como se muestra en la figura 35, por lo general son roscados o de

conexión rápida y fabricados en acero.

Figura 35. Racores roscados.

Los racores que se encuentran en el circuito de baja presión o de retorno son

menos exigentes, por tal razón se puede colocar racores sin soldadura, es

decir, tiene una tuerca incorporada con dos ranuras que evitan su salida y es

de fácil conexión, en la figura 36 se presentan varios tipos de racores.

Figura 36. Racores metálicos roscados y de conexión rápida.

2.5. SIMBOLOGÍA HIDRÁULICA

Los diagramas oleohidráulicos se representan a través de símbolos

estandarizados, muy similares a los neumáticos.

32

2.5.1. SIMBOLOGÍA DE LA UNIDAD DE ABASTECIMIENTO, SUMINISTRO

DE ENERGÍA, ELEMENTOS DE CONEXIÓN Y EQUIPOS DE

MEDICIÓN

Los símbolos de esta unidad son la base esencial para reconocer y entender

todo sistema hidráulico.

2.5.1.1. Líneas del circuito oleohidráulico

Las líneas más importantes de un circuito hidráulico se presentan en la tabla 1.

Tabla 1. Simbología de las líneas en un circuito oleohidráulico.

Descripción Símbolo

Conductos de presión

Conducto para el control

Línea de purga

Conducto flexible

Cruce de conductos

Conexión de líneas de presión

Purga de aire

Conducto con Obstrucción de flujo

Cañería con obstrucción para medición

Acoples rápidos con válvulas antirretorno

Línea al tanque por encima y por debajo del nivel.

33

2.5.1.2. Abastecimiento, transmisión y accesorios

Los elementos que se destacan en esta sección son el depósito, el motor

eléctrico o de combustión interna, la bomba oleohidraulica, los diferentes

accesorios de la unidad de abastecimiento y por supuesto los equipos de

medición, en la tabla 2 se presentan la simbología de los elementos antes

mencionados.

Tabla 2. Simbología de elementos de abastecimiento, transmisión y accesorios.


Deposito presurizado

Deposito con comunicación al aire

Bomba oleohidráulica

Motor eléctrico

Motor de combustión interna

Filtro

Sistema de calefacción del fluido

Sistema de refrigeración del fluido

Manómetro

Termómetro

Medidor de caudal

Medidor del fluido

34

2.5.2. SIMBOLOGÍA DE LA UNIDAD DE CONTROL Y FORMAS DE

ACCIONAMIENTO

En la unidad de control se puede encontrar un sinnúmero de variables en

cuanto al tipo de válvulas y su forma de accionamiento, por tal razón se

fracciono esta simbología puesto que es muy amplia.

2.5.2.1. Válvulas de direccionales

Las válvulas direccionales están representadas por un rectángulo, el número

de posiciones está dado por el número de fracciones y cada fracción contiene

el mismo número de vías en las que se destacan las líneas de presión y

tanque, la simbología de las válvulas direccionales se muestran en la tabla 3.

Tabla 3. Simbología de las válvulas de vías o direccionales.


Control de la válvula

Numero de posiciones

Cantidad de vías

Entradas y salidas

Sentido del flujo por posición

Posición de cierre

Válvula de dos vías con dos posiciones

Válvula de tres vías con dos posiciones

Válvula de cuatro vías con dos posiciones

Válvula de cuatro vías con tres posiciones

35

2.5.2.2. Válvulas reguladoras de presión

Las válvulas reguladoras de presión o limitadoras cuentan con un muelle en su

interior y están normalmente abiertas o cerradas, la simbología de estos

elementos se presentan el la tabla 4.

Tabla 4. Simbología de las válvulas reguladoras de presión.


Válvula alivio

Válvula reguladora de presión

Válvula de alivio con check

Válvula reguladora de presión con check

2.5.2.3. Válvulas reguladoras de caudal

Las válvulas reguladoras de caudal en su mayoría se destacan por ser

ajustables y pueden controlar el paso de caudal en uno o en doble sentido, el

símbolo de los elementos se las puede ver en el tabla 5.

Tabla 5. Simbología de las válvulas reguladoras de caudal.


Válvula reguladora de caudal fija

Válvula reguladora ajustable

Válvula reguladora de caudal compensada con presión

Válvula reguladora de caudal con check

36

2.5.2.4. Válvulas de seguridad Estas válvulas normalmente cuentan con un muelle en su interior su

simbología se muestra en la tabla 6.

Tabla 6. Simbología de seguridad.


Válvula anti retorno sin muelle

Válvula antirretorno con muelle

Válvula antirretorno desbloqueable

Válvula de cierre

2.5.2.5. Accionamiento de las válvulas

Los medios de accionamiento de las válvulas se presentan en la tabla 7.

Tabla 7. Simbología de accionamiento de las válvulas.


Accionamiento manual

Accionamiento por botón

Acción por palanca

Acción por pedal

Reposición por muelle

Retención por enclavamiento

Pilotaje por presión

Pilotaje eléctrico

37

2.5.3. SIMBOLOGÍA DE LA UNIDAD DE TRABAJO Los elementos de trabajo tienen pocas variables y su simbología es sencilla. 2.5.3.1. Cilindros oleohidráulicos La simbología de estos actuadores se presenta en la tabla 8.

Tabla 8. Simbología de cilindros oleohidráulicos.


Cilindro de simple efecto

Cilindro de simple efecto con reposición por muelle

Cilindro telescópico

Cilindro de doble efecto

Cilindro de doble efecto con amortiguación

Cilindro de doble efecto con amortiguación regulable

2.5.3.2. Motores oleohidráulicos La simbología de los hidromotores se muestra en la tabla 9.

Tabla 9. Simbología de motores oleohidráulicos.


Motor oleohidráulico con desplazamiento fijo en un solo sentido

Motor oleohidráulico con desplazamiento fijo en doble sentido

Motor oleohidráulico de desplazamiento variable

38

2.6. APLICACIONES MÓVILES DE LA OLEOHIDRÁULICA En la industria automotriz la inserción de sistemas oleohidráulicos han sido

básicamente en vehículos autopropulsados para el área de la construcción,

agricultura y transporte. Existen diferentes aplicaciones de la oleohidraulica, en

la figura 37 se puede observar algunas de ellas.

Figura 37. Aplicaciones móviles de la oleohidráulica.

Dentro de las aplicaciones móviles de la oleohidráulica que se han incorporado

a la industria están:

Maquinaria pesada para la construcción.

Equipo caminero y transporte.

Plataformas de carga y sistemas de elevación en puerto.

Maquinaria para la minería.

Maquinaria para la agricultura.

Cabe destacar que el equipo pesado o maquinaria para la construcción es una

de las más amplias en cuanto a vehículos autopropulsados con sistemas

oleohidráulicos, pues, estas máquinas están sometidas a grandes cargas y por

tanto realizan trabajos de gran esfuerzo.

39

2.7. RETROEXCAVADORA

La retroexcavadora es una maquinaria pesada autopropulsada que se usa

principalmente en el campo de la construcción para excavar y remover material

pétreo a través de su pala, esta maquinaria se la puede ver en la figura 38.

Figura 38. Retroexcavadora.

La retroexcavadora puede realizar y es utilizada en trabajo de izado de cargas

o remolque, todo esto, por la versatilidad de su brazo hidráulico, su sistema de

rodadura y transmisión de energía.

Esta maquinaria puede rotar 360°, es decir, puede girar en todos los frentes

para depositar el material extraído producto de la excavación. La movilidad

está dada por un sistema de translación por servomotores con una rodadura

por orugas o de neumáticos, cabe destacar, que la oruga hace que esta

maquinaria pueda desplazarse por terrenos muy agrestes.

2.7.1. FUNCIONES DE LA RETROEXCAVADORA La retroexcavadora tiene las siguientes funciones:

Excavar tierra y rocas a distintos niveles del suelo y ubicarlo a su alrededor

a través del giro y la extensión del brazo hidráulico.

40

Remover material pétreo de las paredes de un terreno o montaña.

Cargar el material extraído y depositarlo en un transporte de carga.

2.7.2. VENTAJAS DE LA RETROEXCAVADORA

La retroexcavadora es utilizada en la construcción, en el campo de la minería y

las principales ventajas son:

Excavar material pedregoso y acceder a lugares agrestes.

Mayor radio de trabajo, versatilidad y optimización de tiempos.

Adaptación de accesorios para realizar trabajos adicionales como izar

cargas.

2.7.3. ESTRUCTURA DE LA RETROEXCAVADORA

La retroexcavadora está compuesta por tres unidades: el bastidor inferior, la

unidad giratoria (esta unidad está alojada la cabina y el equipo de trabajo, su

distribución se pueden ver en la figura 39.

Figura 39. Composición de la retroexcavadora.

41

2.7.3.1. Bastidor inferior

El bastidor inferior es la base de soporte de la unidad giratoria o del bastidor

superior, este elemento se lo presenta en la figura 40, además, aloja en sus

laterales el sistema de traslación del equipo.

Figura 40. Bastidor inferior de la retroexcavadora.

(Caterpillar Inc, 2010)

2.7.3.2. Bastidor Superior.

Esta estructura soporta el peso de la cabina, el motor de combustión interna,

los sistemas oleohidráulicos del brazo y giro de la cabina, este bastidor se

puede ver en la figura 41.

Figura 41. Bastidor superior de la retroexcavadora.


42

2.7.3.2. Equipo de trabajo Este conjunto de elementos se presenta en la figura 42, tiene la finalidad de

darle movimiento al brazo hidráulico y ejecutar las diferentes funciones antes

mencionadas excepto por el giro de la cabina.

Figura 42. Elemento excavador.

2.7.4. ELEMENTO EXCAVADOR El elemento excavador está constituido de las siguientes partes:

Figura 43. Partes del elemento excavador.

El equipo de trabajo genera movimiento por la extensión o retroceso de los

cilindros hidráulicos.

43

2.7.4.1. Pluma La pluma es un elemento estructural en forma de parábola tal como se la ve en

la figura 44, soporta la mayoría de las cargas generadas tanto de los cilindros

hidráulicos como del resto de los elementos del equipo de trabajo y está unido

al bastidor superior a través de ejes pasadores.

Figura 44. Pluma de una retroexcavadora.


2.7.4.2. Brazo La extensión del elemento excavador continúa con el brazo, está enlazado al

extremo de la pluma a través de un eje pasador, cabe destacar, que este

elemento es menos robusto que la pluma y debe soportar las cargas que le

transmite el balde o cucharon. Este elemento se lo presenta en la figura 45.

Figura 45. Brazo de una retroexcavadora.


2.7.4.3 Balde Finalmente la extensión total del elemento excavador lo cierra el balde o

cucharon, es el que imprime la presión sobre el material pétreo que le es

44

entregado a través del cilindro oleohidráulicos de doble efecto, cuando el

vástago está en extensión, el balde está unido al brazo y a un mecanismo de

inclinación a través de pasadores, en el extremo inferior izquierdo de la figura

46 se puede observar los elementos de fractura.

Figura 46. Balde de una retroexcavadora.


2.7.5. UNIDAD GIRATORIA La unidad giratoria tiene la particularidad de proporcionar un ángulo de giro de

360º, utiliza un hidromotor para la impulsión, un conjunto de engranajes y un

rodamiento para el giro de esta unidad tal como se ve en la figura 47.

Figura 47. Partes de la unidad giratoria.


45

2.7.5.1. Corona de giro Este elemento cuenta con dientes internos o externos y está acoplado en la

parte central del bastidor inferior mediante pernos de sujeción.

Figura 48. Corona de giro con rodamiento incorporado.

2.7.5.2. Rodamiento Este elemento es uno de los más importantes ya que soporta las cargas tanto

axiales como radiales, tal como se ve en la figura 49.

Figura 49. Rodamiento de la unidad giratoria.

2.7.6. MOVIMIENTOS DE LA RETROEXCAVADORA

La retroexcavadora puede realizar los siguientes movimientos:

1. Traslación.

2. Giro de la cabina.

3. Pluma.

4. Brazo.

46

5. Balde

Figura 50. Movimientos de la retroexcavadora.

Debido a los diferentes movimientos que puede realizar la retroexcavadora

hace que sea una maquinaria muy versátil, pues optimiza tiempos de trabajo.

2.8. BANCO DIDÁCTICO El banco didáctico es un medio que se enfoca en un tema en específico para la

formación de estudiantes y futuros profesionales mediante el estudio, la

manipulación de elementos y sistemas contenidos en él. Los bancos

didácticos tienen la particularidad de contar con una disposición modular como

el de la figura 51.

Figura 51. Banco didáctico del laboratorio de hidráulica y neumática del taller de ingeniería

automotriz de la UTE.

47

Los bancos didácticos más comunes son:

Técnicos.

Mecatrónica y automatización.

Híbridos.

Los bancos didácticos abarcan temas técnicos como la oleohidráulica,

neumática, etc. En la figura 52 se puede ver dos bancos oleohidráulicos de

una marca muy reconocida en el campo de la hidráulica.

Figura 52. Bancos didácticos oleohidráulicos de Festo.

(FESTO, 2013)

METODOLOGÍA

48

3. METODOLOGÍA

Para la ejecución del presente proyecto, primero se procedió a definir las

características del mismo, pues se tomaron decisiones en base a ellas a lo

largo de todo el proceso de diseño y construcción.

Previo a la modelación de los elementos del banco didáctico del sistema

hidráulico del brazo y giro de una retroexcavadora se procedió a la extracción

de información de los elementos constitutivos de la retroexcavadora Caterpillar

374D, en cuanto a características de formas y movimientos de trabajo, para lo

cual se hizo uso del método de la observación y medición.

El siguiente paso fue investigar la disponibilidad de cilindros oleohidráulicos de

doble efecto más pequeños que exista en el mercado, con la finalidad de que

el brazo sea lo más compacto posible, pues, en base a las dimensiones de los

cilindros se realizó un ajuste de medidas en la fase de modelación.

La sucesiva etapa fue el diseño, parte esencial del proyecto, por tal razón, se

lo fraccionó en las siguientes partes: diseño del brazo excavador como de los

elementos de la unidad de giro, diseño del sistema oleohidráulico, el diseño de

la estructura del banco didáctico y del panel de instrumentos.

Para el diseño del brazo excavador, como del sistema de giro se realizó el

modelado de todos los elementos constitutivos a través del Software Solid

Works, cabe mencionar, que las medidas se ajustaron a las características del

elemento excavador a una escala 1:10 de la excavadora antes mencionada,

posteriormente se decidió usar un acero ASTM-036 por su ductilidad y facilidad

de adquisición, con la finalidad de extraer las propiedades físicas de cada

elemento. Consecutivamente se realizó un análisis estático de los puntos

críticos del elemento excavador, para luego justificar la selección del metal

elegido en la etapa del modelado, para ello, se necesitó encontrar las fuerzas

resultantes en los diferentes puntos de enlace del elemento excavador, para lo

cual, se hizo uso de la fórmula del momento flector [9], luego, por medio de las

fuerzas resultantes encontradas se procedió a calcular los esfuerzos en varios

puntos críticos del brazo, en este punto se hizo uso de las formulas del

esfuerzo cortante [10] y del esfuerzo por aplastamiento[11] y finalmente se

49

compararon los esfuerzos encontrados con las propiedades del acero ASTM-

036.

En la fase del diseño del sistema oleohidráulico, de igual manera se lo

fraccionó en 2 partes: el circuito de control del elemento excavador y el circuito

de control de giro. En esta etapa del proyecto se modelaron los circuitos a

través del software Fluid Sim 3.5 para obtener los diagramas oleohidráulicos

que componen el sistema y por ende conocer la cantidad de elementos que lo

constituyen, después se procedió a realizar una selección de los cilindros y

válvulas direccionales a través de una ponderación. La selección de la bomba

oleohidraulica está sustentada cuantitativamente en base al principio de pascal

para lo cual se utilizó las fórmulas de la presión hidráulica [2] y de caudal [5].

La selección del motor hidráulico se lo realizo en base a las variables del

sistema hidráulico y por medio de ellas se pudo determinar la velocidad de giro

del eje [12] y la potencia a la entrada del hidromotor [13]. Posteriormente se

determinó que el número de Reynolds es <2000, por lo tanto, el fluido será

laminar, en este apartado se hizo uso de las fórmulas de caudal [19], diferencia

de velocidad [7], y del número de Reynolds [8], de igual manera la selección

del motor eléctrico está sustentado en la fórmula de la potencia [14].

Finalmente se determinó la cantidad de aceite hidráulico que se necesita y por

ende, el volumen que debe tener la unidad de abastecimiento para lo cual se

hizo uso de la fórmula del volumen de un cilindro [15], cabe destacar, que el

diseño oleohidráulico se lo realizo en base a las recomendaciones de la norma

ISO 4413 para sistemas oleohidráulicos.

Luego de ejecutar la parte del diseño, se procedió a adquirir los elementos

mecánicos y oleohidráulicos necesarios para el banco didáctico, pues, es la

etapa de construcción en la cual se realizaron diferentes operaciones en las

que se destaca el trazado, corte, soldado y acabado, esta fase partió de la

fabricación del elemento excavador, para lo cual, se realizó varios moldes en

madera, para que, el metal adopte la forma y medida que se determinó en la

etapa de modelado, después de contar con todas las partes de los elementos

se realizó la unión por medio del proceso de soldadura SMAW y finalmente se

le dio un acabado superficial.

50

El proceso de construcción continua con la fabricación de la estructura y del

panel de instrumentos, para la construcción de la estructura metálica se cortó

el tubo cuadrado de acuerdo a las medidas de los planos y luego se procedió a

unir los perfiles que conforman la estructura a través del mismo proceso de

soldadura, posteriormente, se le dio un acabado superficial. La construcción

del panel de instrumentos se la realizo en madera por la facilidad de trazado y

de corte, para lo cual se respetó las medidas de los planos y se realizaron

varios orificios para poder insertar las válvulas reguladoras de caudal y las

mangueras que salen del mando hidráulico, luego se le dio un acabado

superficial.

Posterior a la etapa de construcción se procedió acoplar el panel de

instrumentos a la estructura metálica, para luego, ensamblar el elemento

excavador, la unidad de giro y los elementos del sistema oleohidráulico junto

con la unidad de abastecimiento a la estructura del módulo, posteriormente se

conectó las mangueras hidráulicas de los circuitos oleohidráulicos.

Finalmente se utilizó el método experimental para la puesta a punto del banco

didáctico, es decir, se reguló los elementos mecánicos y de control para

cumplir con las características de diseño.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

51

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

4.1. CARACTERÍSTICAS DEL PROYECTO

Las características del proyecto se ajustaron a las siguientes consideraciones:

Funcionalidad

Seguridad

Costo

Peso

Tamaño

Recuperación de recursos

4.1.1. CARACTERISTICAS DEL ELEMENTO EXCAVADOR

La serie de la retroexcavadora que se extrajo información referente al

elemento excavador y de giro es una Caterpillar 374D y como resultado del

modelado se presenta un ensamble del elemento excavador en la figura 53,

las especificaciones en cuanto a dimensiones de la maquinaria antes

mencionada se presenta en el Anexo 1.

Figura 53. Modelado del brazo de una retroexcavadora.

52

Las características principales del proyecto en cuanto a su alcance y giro se

muestran en la tabla 10, donde se destaca los grados de giro de los elementos

del brazo excavador.

Tabla 10. Características del elemento excavador

Angulo del brazo 80°

Angulo de la pluma 85°

Angulo de la cuchara 90°

Angulo de giro del bastidor superior 360°

Altura máxima del elemento excavador 700mm

Profundidad de excavación 600mm

En este punto cabe destacar que una de las primeras decisiones que se tomó

antes de empezar con el diseño, fue encontrar los cilindros de doble efecto

más pequeños que existe en el mercado ecuatoriano, con la finalidad de que el

elemento mecánico sea lo más compacto posible, cabe matizar, que puede

existir un sobredimensionamiento ya que los elementos hidráulicos de por si

son robustos y las cargas a los que van estar sometidos los actuadores son

ínfimas comparadas con la capacidad de respuesta.

4.2. DISEÑO MECÁNICO DEL ELEMENTO EXCAVADOR

El diseño de estos elementos mecánicos como se explicó tiene las

características que se describen en la tabla 10, el modelado de elementos se

lo realizo mediante el software Solid Works, este instrumento de diseño

asistido por computadora brinda varias herramientas y es de fácil uso.

Para la mayoría de los elementos se decidió usar un acero ASTM A-36 con la

finalidad de extraer las propiedades físicas de cada elemento, otros factores

que influyeron para esta selección fue el costo y facilidad de adquisición, las

propiedades del acero mencionado se despliega en la tabla 11.

53

Tabla 11. Propiedades del acero ASTM A-36.

Propiedad Valor Unidad

Módulo elástico 200000 N/mm2

Coeficiente de Poisson 0.26 N/D

Densidad de masa 7850 kg/m3

Límite de tracción 400 N/mm2

Límite elástico 250 N/mm2

4.2.1. MODELADO DE LA PLUMA

Para el modelado de la pluma se tomó en cuenta las características de la tabla

10, y como resultado del modelado se exponen las cotas principales de la

pluma en la figura 54, el sólido en perspectiva isométrica y demás vistas se las

puede encontrar en el Anexo 2.

Figura 54. Vista frontal de la pluma.

Para el diseño de la pluma se dispuso ubicar un pivote en un solo lado de la

pluma, que estará fijo por debajo de la curva de la misma para la sujeción del

54

vástago del cilindro, ya que, el sistema oleohidráulico como tal no se lo diseño

con dos cilindros que levanten la pluma.

4.2.1.1. Propiedades de masa de la pluma

En la figura 55 se muestra la pluma con el color característico del material

asignado, también se puede divisar el centro de masa del elemento por debajo

de la parábola de la pluma y el sistema de coordenadas luego de seleccionar

el metal en que será construido.

Figura 55. Sólido de la pluma en un acero ASTM A36.

Luego de seleccionar el material se puede desplegar las propiedades del

elemento, En la tabla 12 se despliega las propiedades físicas de la pluma

extraídas mediante la función calcular.

Tabla 12. Propiedades físicas de la pluma.


Densidad 0.00785 g/mm3

Volumen 3205 mm3

Masa 2520 g

55

4.2.2. MODELADO DEL BRAZO

Las cotas principales del brazo se muestran en la figura 56, el sólido en

perspectiva isométrica y las vistas principales del elemento se las puede

encontrar en el Anexo 3.

Figura 56. Vista frontal del brazo.

4.2.2.1. Propiedades de masa del brazo

Para encontrar las propiedades de este elemento se especificó el material del

que va a ser fabricado, cabe enfatizar que luego se le dio una apariencia de

color amarillo y las características no cambiaron, en la figura 57 se muestra la

posición del centro de masa del elemento y en el extremo izquierdo se puede

divisar sistema de coordenadas.

Figura 57. Solido del brazo en un acero ASTM A-36 con apariencia en amarillo.

56

En la tabla 13 se despliega las propiedades extraídas mediante el cálculo del

modelo.

Tabla 13. Propiedades físicas del brazo.



Volumen 190326.46 mm3

Masa 1494.06 g

4.2.3. MODELADO DEL BALDE

El balde o cucharón se lo modelo conservando las características principales

de este elemento en tamaño real, cabe destacar que no se incluyeron los

elementos de fractura puesto que no realizará el trabajo de excavación, las

cotas principales se presenta en la figura 58, el sólido en perspectiva

isométrica y demás vistas se encuentran en el Anexo 4.

Figura 58. Vista frontal del balde.

57

4.2.3.1. Propiedades de masa del balde

En la figura 59 se muestra el color característico de un acero ASTM A-36 y

como se puede observar el centro de masa se encuentra en la cavidad hueca

de balde.

Figura 59. Solido del balde.

En la tabla 14 se despliega las propiedades de masa del cucharón.

Tabla 14. Propiedad de masa del balde




Masa 845.02 g

4.2.4. MODELADO DE LA BASE DEL ELEMENTO EXCAVADOR

La base que soporta las cargas del elemento excavador se ajustaron a las

características de diseño, las cotas principales se presentan en la figura 60, el

sólido en perspectiva isométrica y demás vistas del elemento se las puede

encontrar en el Anexo 5.

58

Figura 60. Vista frontal de la base del elemento excavador.

4.2.4.1. Propiedades de la base

En la figura 61 se puede observar las cuatro ménsulas de la base y el centro

de masa del elemento ubicado entre dos de ellas.

Figura 61. Solido de la base.

En la tabla 15 se despliega las propiedades de masa de la base.

Tabla 15. Propiedad de masa del balde




Masa 1142.94 g

59

4.2.5. MODELADO DE ELEMENTOS PARA LA ROTACIÓN

Los elementos que transmiten el movimiento lineal del cilindro hacia el

cucharon fueron ajustados a las dimensiones del cilindro que acciona el balde

para evitar que exista un rozamiento o choque con el brazo.

Las cotas principales del implemento de giro se presenta en la figura 62 y del

elemento de enlace para la rotación en la figura 63, el sólido en perspectiva

isométrica y demás vistas de los elementos se encuentran en el Anexo 6 y

Anexo 7 respectivamente.

Figura 62. Implemento de giro del balde.

Figura 63. Elemento de enlace.

60

4.2.5.1. Propiedades de masa del implemento y elemento de giro del

balde

En la figura 64 se muestra al implemento de giro junto con el elemento de

rotación del balde, además se puede divisar el sistema de coordenadas y el

centro de masa de cada uno de los elementos.

Figura 64. Elementos de giro del balde.

En la tabla 16 y 17 se despliegan las propiedades de masa tanto del

implemento de giro como del elemento de enlace.

Tabla 16. Propiedades físicas del implemento de giro del balde.




Masa 177.50 g

Tabla 17. Propiedades físicas del elemento de enlace del balde.



Volumen 3455.05 mm3

Masa 27.12 g

61

4.3. ANALISIS ESTÁTICO DE ELEMENTO EXCAVADOR

El elemento excavador no va a estar sometido a grandes cargas, puesto que,

el cucharon no realizará el trabajo de excavación, la posición en que se decidió

realizar el análisis estático se presenta en la figura 65.

Figura 65. Posición de excavación de la pala mecánica.

4.3.1. CÁLCULO DE CARGAS Y REACCIONES

4.3.1.1. Cálculo de fuerzas y reacciones en los puntos críticos de la pluma

La pluma es el elemento más sensible del mecanismo, puesto que, soporta

las cargas generadas por el peso de cada elemento y son perpendiculares

a su línea de acción y están ubicadas en el centro de masa de cada

componente, como se ve en la figura 66.

Figura 66. Centros de masa de los componentes de la pala excavadora.

62

El ángulo que forman las líneas de acción para el estudio es de 55º,

conjuntamente en el punto B existe una fuerza que forma un ángulo de 20º con

respecto a su línea de acción, tal como se muestra en la figura 67, además,

para una mejor visualización se decidió aislar la vista frontal de la pluma y

trasladar las cargas a la línea de acción y adicionar los parámetros de

distancia.

Figura 67. Proyección de las líneas de acción por el centro de masa.

En el punto B existe una fuerza aplicada que forma 20° con la línea de acción

de la pluma, a este vector se lo debe fraccionar en sus componentes, para ello,

se requería encontrar el ángulo α y β, tal como se muestra en la figura 68, el

ángulo α es igual a 55° por ángulos alternos internos y el ángulo β es el

complemento del ángulo de 90°por consiguiente es igual a 15°.

63

Figura 68. Línea de acción del AB y fuerza aplicada en el punto B.

Con el dato del ángulo β se puede procedió a obtener las componentes de FB.

El siguiente paso fue realizar el diagrama de cargas a las que está sometida la

pluma y las reacciones en el punto A, tal como se muestra en la figura 69, y

posterior realizar el cálculo de momentos en el punto A para obtener FB, para

lo cual, se utilizó la fórmula del momento flector que se presenta a

continuación:

[9]

64

El momento flector es igual a la fuerza aplicada en un punto por la distancia,

cabe destacar, que en sentido anti horario el valor se tomó como positivo.

Figura 69. Diagrama de cargas en el elemento excavador.

[(-FBsen15°)(226mm)]+[(FBcos15°)158mm]-[(25.2N)(158mm)]-[(15N)(270mm)]-

[14.9N(498mm)]-[10N(575mm)]-[8.45N(761mm)]=0

-58.49FB (mm)+152.61FB(mm)-[3981.6+4050+7420.2+5750+6430.45](Nmm)=0

94.31FB (mm) = Nmm

FB= 293.58N

65

Las componentes del vector FB son:

FBx= FB sen(15°)

FBx = 293.58N(0.25)

FBx=75.98N

FBy= FB cos(25°)

FBy=293.58N(0.99)

FBy=293.53N

En este punto fue importante calcular las reacciones en el punto A, para ello se

realizó un sumatorio de fuerzas en los ejes x, y.

FBx +Rx=0

Rx= -75.98N

Ry+FBy-FP-FC2-FBC=0

Ry+293.53N-25.2N-15N-14.5N-10N-8.45N=0

Ry= -220.38N

Para encontrar la resultante en el punto A se aplicó el teorema de Pitágoras.

66

4.3.1.2. Cálculo de cargas y reacciones en el brazo

En figura 70 se muestra el brazo junto con las cargas a las que está sometido,

la tensión ejercida en el punto E por parte del cilindro cuando este se

encuentre en reposo y las reacciones en el punto de D para mantener la

estabilidad del elemento.

Figura 70. Tensión, cargas y reacciones en el pivote D del brazo.

En el punto E existe una tensión que forma 3°con respecto de la horizontal, por

lo tanto se debía encontrar las componentes de la tensión en el vástago del

cilindro, en la figura 71 se representa las componentes de este vector.

Figura 71. Componentes de TB.

67

Luego de obtener el ángulo que forma TBx con TB se procedió a obtener las

componentes de TB en el punto E.

En la figura 72 se puede ver el diagrama del brazo sometido a cargas y las

reacciones en el punto D donde se realizó la suma de momentos.

Figura 72. Diagrama de cargas del brazo.

Posteriormente se realizó la suma de momentos en el punto D.

68

[(TEsen5°)(42mm)]+[(TEcos5°)(98mm)]-[(14.9N)(62mm)]-[(10N)(139mm)]-

[8.45N(325mm)]=0

3.66TE (mm)+97.62TE(mm)-[923.8+1390+2746.25](Nmm)=0

101.28TE (mm)=Nmm

TB= 49.96N

Las componentes de la tensión TB son:

En este punto fue importante encontrar las reacciones en el punto D y para ello

se realizó un sumatorio de fuerzas en los ejes x, y.

-TEx +REx=0

REx=TEx

REx =49.76N

REy +TEy-FB-FC2-FCU=0

REy+4.35N-14.9N-10N-8.45N=0

REy = 29N

69

4.3.1.3. Cálculo de cargas y reacciones en el brazo en el cucharón

La pala es uno de los elementos con menos exigencias, sin embargo, se

realizó el análisis estático de este elemento, en la figura 73 se representa el

elemento con las cargas a las que está sometido y la tensión que ejerce el

vástago de su cilindro.

Figura 73. Tensión, cargas y reacciones en el punto G del balde.

En este punto se necesitó descomponer TH, en la figura 74 se muestra el

ángulo que forma esa tensión con la vertical y sus componentes.

Figura 74. Componentes de TH.

70

En la figura 75 se muestra el diagrama de la pala sometida a la carga FCU y las

reacciones en el punto G donde se realizó la sumatoria de momentos.

Figura 75. Diagrama de cargas en el balde.

[(THsen52°)(32mm)]+[(THcos52°)(29mm)]- 8.45N(62mm)]=0

25.21TE (mm)+17.85TE(mm)-523.9Nmm=0

TH 43.03 (mm)=523.9Nmm

TH= 12.15N

71

Las componentes de TH son:

En este punto se realizó una sumatoria de fuerzas en los ejes x, y, para

encontrar las reacciones en el punto H.

-THx +RHx=0

REx=7.48N

RHy +TEy-FCU=0

REy+9.57N-8.45N=0

REy = -1.12N

4.3.2. CÁLCULO DE ESFUERZOS EN LOS PUNTOS CRITICOS DEL

ELEMENTO EXCAVADOR.

En base a los datos obtenidos del análisis estático se procedió a realizar el

cálculo de esfuerzos tanto normal, cortante y de compresión en elementos

que se considera que son de vital importancia, pues, como se demostró las

fuerzas resultantes son ínfimas.

4.3.2.1. Cálculo de esfuerzos en el punto A de la pluma

En base a la resultante FA se deduce que está ejerciendo un esfuerzo cortante

en el eje de la pluma, ese esfuerzo es igual a la fuerza ejercida por el área

transversal del eje, la formula se la presenta a continuación:

[10]

Como se muestra en la figura 76 en los extremos del pasador se está

ejerciendo una fuerza, por lo tanto, es una cortante doble, consecuentemente

72

se procedió a calcular el esfuerzo promedio en el pasador de la base de la

pluma.

Figura 76. Esfuerzo cortante doble en el pasador de la pluma.

El siguiente paso fue calcular el esfuerzo por aplastamiento en el agujero del

extremo inferior del pivote de la pluma, para lo cual se requiere del diámetro

del orificio y el espesor de la placa, tal como se muestra en la figura 77.

Figura 77. Esfuerzo por aplastamiento en el pivote de la pluma.

73

La fórmula del esfuerzo promedio por aplastamiento es:

[11]

A continuación se procedió a encontrar el esfuerzo por aplastamiento en el eje

de la pluma:

Finalmente se calculó el esfuerzo en uno de los apoyos de las ménsulas de la

base, los datos que se requiere se encuentran en la figura 78.

Figura 78. Esfuerzos en la base de la pluma.

=2.91N/mm2

4.3.2.2. Cálculo de esfuerzos en B y en la base del cilindro

En el punto B existe FB y esta fuerza está ejerciendo un esfuerzo cortante al

eje instalado en la pluma, por tal razón, se procedió a calcular ese esfuerzo

cortante promedio, los datos requeridos se pueden observar en la figura 79.

74

Figura 79. Esfuerzo cortante en el eje de la pluma.

La fuerza FB también genera un esfuerzo cortante en pasador de la base del

cilindro que levanta la pluma, pero en ese caso es un esfuerzo cortante doble,

por tal razón FB se fracciona en dos partes, tal como se muestra en la figura 80

y a continuación se presenta el cálculo de ese esfuerzo.

Figura 80. Esfuerzo cortante doble en el pasador del cilindro que levanta la pluma.

75

El siguiente paso es calcular el esfuerzo por aplastamiento en el agujero

inferior del cilindro que levanta la pluma, para lo cual se requiere del diámetro

del orificio y el espeso tal como se las muestra en la figura 81.

Figura 81. Esfuerzo por aplastamiento en el orificio del cilindro de la pluma.

=0.93N/mm2

Finalmente se procede a calcular los esfuerzos en los apoyos de la base del

cilindro de la pluma, los datos que se requiere se encuentran en la figura 82.

Figura 82. Esfuerzos en la base del cilindro de la pluma.

=3.73N/mm2

76

Luego de realizar los cálculos de los esfuerzos normales, de corte, y

aplastamiento, en los elementos más críticos del elemento excavador que

forma parte del banco didáctico, los datos más altos son los siguientes.

Esfuerzo promedio: 3.73N/mm2

Esfuerzo cortante: 6.07N/mm2

Esfuerzo de aplastamiento: 7.28N/mm2

Según los datos de la tabla 11, el metal ASTM A-36 que se seleccionó en la

etapa del modelado, los elementos del brazo mecánico tiene un límite elástico

de 250N/mm2. En este punto se realizó una comparación de los datos

referenciales del metal seleccionado previo al análisis estático y los datos

obtenidos producto del cálculo y se puede concluir que los esfuerzos obtenido

no sobrepasan el limite elástico del acero ASTM A-36 puesto que las cargas a

las que está sometido son ínfimas, lo que implica, que los valores se

mantienen dentro de los límites de elasticidad por consiguiente los elementos

no se deformaran, por lo tanto, se justifica la selección del metal para la

construcción del elemento excavador, además, el acero seleccionado en el

mercado tiene un costo relativamente bajo y es de fácil adquisición.

4.4. DISEÑO MECÁNICO DE LA UNIDAD GIRATORIA Para el diseño de la unidad giratoria se decidió primeramente separarla de la

pala mecánica por seguridad, puesto que, hacer que gire la pala podría

generar riesgo para quienes se encuentren cerca, además las mangueras se

podrían trabar al momento de girar el mecanismo y generar fugas, el fraccionar

la parte mecánica implica segmentar el sistema oleohidráulico, pero tiene el

beneficio de que en el banco didáctico podrán trabajar dos grupos, uno en el

sistema oleohidráulico de control del brazo mecánico y el restante en el

sistema de la unidad giratoria.

Para emular el giro de la retroexcavadora se decidió adquirir un conjunto de

engranajes junto con una base metálica, estos elementos son reciclados, ya

que, fabricar estos elementos desde cero implicaría adicionar un alto costo al

77

proyecto, los elementos adquiridos para esta unidad se los presenta en la

figura 83.

Figura 83. Base de la unidad giratoria y engranajes.

Cabe enfatizar que en la etapa del diseño se decidió realizar un modelado de

los elementos de la figura 83, posteriormente se realizó un ensamble y en base

a las cotas de esa resultante se realizó una carcasa que cubre el conjunto de

engranajes para evitar algún tipo de atrapamiento en dedos cuando el

mecanismo gire, por lo tanto, será más seguro manipular el sistema.

4.4.1. MODELADO DE BASE DE LA UNIDAD DE GIRO

El sólido de la base se presentan en la figura 84, las vistas principales de este

elemento se puede apreciar en el Anexo 8.

Figura 84. Solidos de la base de la unidad de giro.

78

4.4.2. MODELADO DE LA CORONA DE GIRO

Para el modelado de este engranaje se recabo información de los diámetros

externo, primitivo y de raíz a través de un calibrador pie de rey, este elemento

emulara a la corona de giro con la diferencia que tiene dientes externos tal

como se muestra en la figura 85.

Figura 85. Corona de giro.

Luego se procedió a diseñar la corona de giro, las cotas principales de este

elemento se puede observar en la figura 86, los planos de este elemento se

presentan en el Anexo 9.

Figura 86. Vista frontal de la corona de giro.

79

4.4.3. MODELADO DEL PIÑÓN DE GIRO

El piñón del que se obtuvo los datos que se requiere para el modulado se


Figura 87. Piñón de giro.

Las principales cotas del piñón de giro se presenta en la figura 88, el sólido y

las vistas restantes se encuentran en el Anexo 10.

Figura 88. Vista frontal del piñón de giro.

4.4.4. MODELADO DE LA CARCASA DE LOS ENGRANAJES Para el modelado de la carcasa que cubre el conjunto de engranes de la

unidad giratoria se requirió ensamblar los elementos que lo componen, el

80

modelado de la carcasa se puede observar en la figura 89, las vistas de la

carcasa se encuentran en el Anexo 11.

Figura 89. Carcasa de la unidad de giro.

4.5. DISEÑO DEL CIRCUITO OLEOHIDRAULICO

Para el diseño del circuito oleohidráulico se hizo uso del software Fluid sim 3.5

de Festo, ya que, brinda muchas opciones tanto de selección de elementos

hidráulicos como inserción de variables, condiciones de operación y además

se puede observar el comportamiento de los principales elementos a través de

diagramas.

Para la elaboración del circuito se tomó las siguientes consideraciones:

Eliminación de sobrecargas a elementos de control.

Control de la velocidad de los actuadores en extensión y repliegue.

Mantener la posición de los actuadores por periodos prolongados.

4.5.1. SISTEMA OLEOHIDRÁULICO DEL BANCO DIDÁCTICO

El sistema oleohidráulico del banco didáctico esta fraccionado en dos, con la

finalidad de brindar una mejor visualización puesto que es un sistema algo

extenso.

81

4.5.1.1. Circuito oleohidráulico de control del elemento excavador

En la figura 90 se muestra el circuito que controla el elemento excavador,

además se introdujo la nomenclatura a cada uno de ellos, en la tabla 18 se

nombran los elementos que conforman el circuito, cabe matizar, que las

válvulas del mando hidráulico se encuentran conectadas en serie.

Figura 90. Circuito oleohidráulico del brazo hidráulico del banco didáctico.

Tabla 18. Elementos del circuito del elemento excavador.

Referencia Componente Cantidad

0.1-0.2-0.3-0.4 Unidad de abastecimiento 1

1.1-2.1-3.1 Válvula de vías 4/3 3

1.2-1.3-2.2-2.3-3.2-3.3

Válvula reguladora de caudal en un solo sentido 6

1.0-2.0-3.0 Cilindro de doble efecto 3

82

4.5.1.2. Circuito oleohidráulico de control de giro del bastidor superior

En la figura 91 se muestra el circuito oleohidráulico del control de giro del

bastidor superior para lo cual se usó un hidromotor, los elementos que

conforman el circuito se encuentran en la tabla 19.

Figura 91. Circuito oleohidráulico de control del bastidor superior del banco didáctico.

Tabla 19. Elementos del circuito del bastidor superior.

Referencia Componente Cantidad

0.1-0.2-0.3-0.4 Unidad de abastecimiento 1

4.1 Válvula de vías 4/3 1

4.02 Válvula reguladora de caudal en doble sentido 1

4.0 Hidromotor 1

83

4.5.2. SELECCIÓN DE ELEMENTOS OLEOHIDRÁULICOS

La selección de los elementos oleohidráulicos están basados en: la

disponibilidad de elementos en el mercado, una ponderación o sustentación

mediante cálculos.

4.5.2.1. Selección de cilindros oleohidráulicos.

La selección de los cilindros fue algo compleja, puesto que, incidieron varios

factores y por tal razón se decidió ponderar cada uno de ellos con una

calificación de 10 cuando es favorable al proyecto, cada factor tiene diferente

peso e incide directamente en el resultado final, en la tabla 20 se muestra la

selección mediante una ponderación.

Para la selección de los cilindros se tenía varias opciones:

1. Uso de cilindros reciclados

2. Catálogos

3. Fabricación en el ecuador

4. Importación de cilindros

Los factores que se tomaron en cuenta fueron:

a) Diámetro externo de la

camisa

b) Costo

c) Tiempo de entrega

d) Estado

Tabla 20. Selección de cilindros por ponderación.

Factor Peso Alternativas Valor ponderado( Alternativa x

Peso)

1 2 3 4 1 2 3 4

Diámetro externo de la camisa

1 2 5 8 10 2 5 8 10

Costo 0.8 9 7 6 6 7.2 5.6 4.8 4.8

Tiempo de entrega 1 10 8 9 1 10 8 9 1

Estado 0.6 4 9 10 7 2.4 5.4 6 4.2

Total 21.6 24 27.8 20

Con el análisis anterior la alternativa que obtuvo mayor puntaje fue la

fabricación de los cilindros en el País. Previo a la adquisición de los cilindros

84

oleohidráulicos de doble efecto el fabricante proporciono información técnica

en cuanto a la carrera, velocidad y presión máxima de operación, esos datos

fueron recabados tras realizar ensayos en un banco de pruebas oleohidráulico,

en la figura 92 se pueden observar los cilindros adquiridos, tienen una

conexión NPT y en la tabla 21 se despliega los datos técnicos de los cilindros

de doble efecto del banco didáctico.

Figura 92. Cilindros hidráulicos de doble efecto con conexión NPT.

Tabla 21. Datos de los cilindros Oleohidráulicos.

Cilindro Carrera(mm) Ø Int

camisa Ø Ext

camisa Ø

Vástago Presión máxima

Velocidad

1 110 35 43 19 6Mpa 0.05m/s

2 145 35 43 19 6Mpa 0.05m/s

3 70 35 43 19 6Mpa 0.05m/s

4.5.2.2. Selección de bomba del sistema oleohidráulico

La selección de la bomba se basa en la cantidad de caudal que requiere el

sistema para cumplir con varios paramentos, esta selección está basada en

dos casos, para lo cual se utilizaron datos de la tabla 21.

El primero es cuando el vástago del cilindro se encuentra en extensión por

consiguiente se usó el área del pistón del cilindro y la velocidad de trabajo.

85

El segundo caso es cuando el vástago del cilindro se repliega, para lo cual se

necesitó realizar una diferencia entre el área del pistón y el vástago.

Como se demostró existe una diferencia en cuanto al caudal requerido, esa

diferencia se debe a que el volumen de la cámara donde se aloja el vástago es

menor y por ende necesita de menos caudal para completar su carrera , por tal

razón, se debe tomar la respuesta del primer caso que es de 2.88L/min, sin

embargo el valor anterior es el caudal efectivo(Qef), por lo tanto se requiere

encontrar el caudal teórico, para lo cual, se asumió que el valor de la eficiencia

volumétrica(nv) es de 0.95 ya que siempre existirán fugas, es decir, la

eficiencia de toda bomba oleohidraulica no es del 100%.

La selección de la bomba se la realizó en un catálogo de bombas Honor que

se presenta en el Anexo 12, a través del caudal teórico requerido por el

sistema (0.78Gl/min), la bomba oleohidráulica seleccionada entrega 0.9Gl/min

86

a 1800rpm, equivalente a 3.42L/min, producto de esta decisión el vástago en

su acción de repliegue lo va hacer en un tiempo menor que en extensión, pero

esa diferencia de velocidad se controlará mediante válvulas de

estrangulamiento en un solo sentido de tal manera que la velocidad del

vástago en su doble acción será igual.

4.5.2.3. Selección del motor oleohidráulico.

Para la selección del motor oleohidráulico se decidió hacerlo en base al

catálogo de motores Eaton de la serie J por ser hidromotores de poco

requerimiento tanto en desplazamiento y torque, además el volumen es

relativamente pequeño, el motor de la serie J se lo muestra en la figura 93 y

las especificaciones se las puede observar en la tabla 22.

Figura 93. Hidromotor.

87

Tabla 22. Datos técnicos de hidromotores Eaton de la serie J.

(Eaton Corporation, 2009)

Con los datos técnicos de la tabla 22 y los datos de la presión del sistema se

procede a obtener datos de velocidad del eje y de potencia a la entrada del

actuador, puesto que, el desplazamiento ya viene dado por las

especificaciones técnicas, además cabe mencionar que las formulas aplicadas

a continuación se obtuvieron del cátalo antes mencionado.

[12]

[13]

0.3

Como se demostró el desplazamiento del eje del motor hidráulico llegaría a ser

de 6.97 rev/s y la potencia a la entrada del hidromotor será de 0.3kW cuando

la presión del sistema es de 60bar. En este punto se seleccionó el motor en

base a las especificaciones técnicas del cátalo de hidromotores Eaton que se

muestra en el Anexo 13.

88

En este punto cabe mencionar que la relación de los engranajes (0.25) de la

unidad de giro cobra valor, pues al utilizar ese valor de presión y caudal la

corona de giro llegaría a rotar 1.74 veces por segundo, pero cabe indicar que

el sistema cuenta con una válvula reguladora de caudal y ese valor va a variar,

más aun cuando la presión nominal del sistema oscila en 30bar.

4.5.2.4. Selección de válvulas direccionales del circuito oleohidráulico de

control del elemento excavador

Para esta selección se realizó nuevamente una ponderación como se ve en la

tabla 23, ya que el sistema tiene varias opciones para su control, las

alternativas en cuanto a accionamiento son:

1. Palanca

2. Electroválvulas

3. Palanca y electroválvulas

4. Pilotaje neumático

Y los factores se presentan a continuación:

a) Versatilidad

b) Costo

c) Volumen

d) Elementos y sistemas

complementarios

Tabla 23. Selección de válvulas por ponderación.

Factor Peso Alternativas

Valor ponderado ( Alternativa x Peso)

1 2 3 4 1 2 3 4

Versatilidad 1 8 9 10 9 8 9 10 9

Costo 0.8 10 8 6 6 8 6.4 4.8 4.8

Volumen 0.6 9 10 8 9 5.4 6 4.8 5.4

Elementos complementarios 1 10 4 4 4 10 4 4 4

Total 31.4 25.4 23.6 23.2

A través de la ponderación realizada en la tabla 23 se llegó a tomar la mejor

decisión, ya que las válvulas 6/3 con accionamiento manual, da la opción al

operador de controlar la apertura mediante una palanca siendo un

accionamiento relativamente fácil, a un costo económico, y sobretodo no

89

necesita de elementos complementarios como en las demás opciones, pues

de haber optado por algún sistema electrónico se necesitaba utilizar un joystick

junto con un juego de electro válvulas para controlar todo el sistema

oleohidráulico y por consiguiente se necesitaba programar.

En cuanto a los demás elementos complementarios del sistema para el control

de la presión y velocidad de los actuadores se decidió optar por elementos con

mando de 1/4” es decir 6.35mm.

En este punto se calculó la velocidad del fluido a la salida de unidad de

suministro y del mando hidráulico, puesto que existe una reducción en cuanto

a la sección transversal de los acoples, es decir los acoples de entrada del

fluido al mando es de 3/8” y la salida es de 1/4".

Datos

Q=3.42L/min=57cm3/s

A1= 0.711cm2

A2=0.316cm2

Cabe destacar que el fluido tiene mucha influencia en cuanto a la eficiencia de

transmisión de la energía, puesto que se traslada a lo largo de todo el sistema,

retornar al depósito y reingresar al circuito, por tal razón se necesita que no

exista aire en su interior y por supuesto que el fluido sea laminar, este cálculo

se lo realizó a continuación, puesto que, las variables de velocidad ya se

90

encontraron anteriormente y lo único que nos resta es obtener los datos de

viscosidad cinética del aceite hidráulico que se presentan a continuación:

Datos

V1= Dc1=0.95cm

V2= Dc2=0.635cm

= 68Cst (mm2/s) = 0.68cm2/s

= 8.65Cst = 8.65cm2/s

91

Como se demostró el número Reynolds en los dos casos, tanto con las dos

dimensiones transversales, como con las dos variables de viscosidad cinética

son <2000, por lo tanto el fluido es laminar, esto es beneficioso para el sistema

puesto que representa que el fluido se está desplazando en capas paralelas y

no está generando gran resistencia a su paso por los conductos del sistema

oleohidráulico.

4.5.2.5. Selección del motor eléctrico

La selección del motor eléctrico se basa en la potencia que requiere el sistema

para suministrar una cantidad específica de fluido y que el mismo llegue a una

presión determinada, por ende se tomó el dato de la presión máxima de la

tabla 21 y del caudal de la bomba seleccionada.

[14]

Cabe destacar que los motores eléctricos de por si no son completamente

eficientes más aun al estar acoplados a otro mecanismo, por tal razón se

asumió que la eficiencia es de 0.90 entonces la potencia eléctrica del motor

requerida es:

Según el catálogo de motores eléctricos WEG del Anexo 14 el motor que se

acerca a tal requerimiento es el segundo de la lista, este motor entrega una

potencia de 0.37kW que equivale a 0.5HP además desarrolla 1800 rpm, por lo

92

tanto tras la selección del motor antes descrito y el caudal de la bomba antes

mencionada la presión máxima que puede alcanzar el sistema es:

Como se demuestro la presión del sistema no excede la presión de trabajo de

los cilindros oleohidráulicos, por lo tanto no se va a tener problemas por

perdidas en tuberías, mandos y válvulas reguladoras, cabe destacar que para

cumplir con el requerimiento de diseño se necesitará usar una válvula

limitadora de presión que regular la presión del sistema.

4.5.2.6. Selección del depósito de la unidad de abastecimiento

Para determinar el volumen del depósito, se consideró que la unidad de

abastecimiento debe alojar todo el aceite que necesita el sistema, por tanto, se

necesita conocer el volumen que ocupará el aceite hidráulico en los

actuadores, partiendo de que el área de los pistones de los cilindros es

962.115mm2 y con los datos de la tabla 21 se prosiguió a encontrar el

volumen de los cilindros, los datos se presenta en la tabla 24.

Vc= A.d [15]

Vc1= A.d1

Vc1= 962.115(mm2). 110 mm

Vc1= 105832.65mm3

Vc2= A.d2

Vc2= 962.115(mm2). 145 mm

Vc2= 139506.675mm3

Vc1= A.d3

Vc2= 962.115(mm2)70 mm

Vc1= 67348.05mm3

93

Tabla 24. Volumen de aceite hidráulico del sistema.

Elemento Volumen

(mm3)

Cilindro 1 105832.65

Cilindro 2 139506.67

Cilindro 3 67348.05

Hidromotor 8200

Válvula de distribución 250000

Mangueras 1000000

Total 1570887.37

Luego de encontrar el volumen total que ocupa el sistema según la norma ISO

4413, recomienda aumentar el volumen requerido, por consiguiente se triplico

el volumen, para que se elimine las burbujas de aire que se encuentran en el

aceite y que la temperatura generada sea disipada, de tal manera que el

deposito debería tener un volumen mínimo de 6000cm3.

El depósito además debe soportar al motor eléctrico y la bomba oleohidraulica

que están unidas a través de un matrimonio, este elemento se lo presenta en

la figura 94 y en él puede almacenar hasta 10 litros de aceite hidráulico.

Figura 94. Unidad de abastecimiento del banco didáctico.

La unidad de abastecimiento luego de insertar el lubricante en el tanque

cuenta con una masa de 28kg, además en ese punto se decidió encontrar la

presión que genera el lubricante en la superficie del fondo del depósito, para lo

cual, se necesitó tomar la medida del nivel de aceite hidráulico junto con el

ancho y largo del tanque, el cálculo se presenta a continuación:

94

698.15Pa

4.6. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DEL BANCO DIDACTICO

4.6.1. MODELADO DE LA ESTRUCTURA

Para el modelado de la estructura se tomó la decisión de realizar toda la

estructura con un tubo cuadrado de 40x40x2(mm), las principales cotas

producto del modelado se muestran en la figura 95, el sólido y demás vistas se

encuentran en el Anexo 15.

Figura 95. Vista frontal de la estructura del banco didáctico.

Para el diseño de la estructura se decidió ubicar el elemento excavador en la

parte superior del lado izquierdo, del lado opuesto la unidad de giro y la unidad

95

de abastecimiento irá ubicada en la parte inferior con la finalidad de estabilizar

las cargas a lo largo de la línea de acción de la estructura.

4.6.1.1. Propiedades de masa de la estructura metálica

En la figura 96 se muestra la estructura con el color característico del material

asignado, también se puede divisar el centro de masa del elemento.

Figura 96. Sólido de la estructura metálica en un acero ASTM A36.

En la tabla 25 se despliega las propiedades físicas extraídas mediante la

aplicación de la función calcular.

Tabla 25. Propiedades físicas de la estructura metálica.




Masa 42773.67 g

4.6.2. MODELADO DEL PANEL DE INSTRUMENTOS

Para el modelado del panel de instrumento se tomó la decisión de realizar toda

la estructura en madera de 18mm, por la facilidad de trazado y corte, el

96

resultado del modelado se presenta en la figura 97, el sólido y demás vistas

se encuentran en el Anexo 16.

Figura 97. Vista frontal del panel de instrumentos.

4.6.1.1. Propiedades de masa del panel de instrumentos

En la figura 98 se muestra el panel de instrumentos con el color característico

del material asignado, también se puede divisar el centro de masa del

elemento.

Figura 98. Sólido de la estructura metálica en un acero ASTM A36.

En la tabla 26 se despliega las propiedades físicas del panel.

97

Tabla 26. Propiedades físicas del panel de instrumentos.



Volumen 25163745.84 mm3

Masa 12833.51 g

4.6.3. Análisis estático de la estructura del banco didáctico

El realizar el análisis estático de la estructura metálica del banco didáctico es

fundamental, ya que, se debe distribuir las cargas a lo largo de la línea de

acción de la estructura para garantizar que esta no se voltee. Este estudio se

realizó en la posición que se muestra en la figura 99 y como se puede apreciar

es la misma posición en la que se realizó el análisis estático del elemento

excavador, pues de esa manera se puede usar las fuerzas resultantes que se

encontraron en tal análisis.

Figura 99. Posición del banco didáctico previo al análisis estático de la estructura.

En la figura 100 se presentan las cargas en la misma línea de acción de la

estructura con sus respectivas distancias (en centímetros), en ellas están

incluidos los centros de masa de cada elemento y por supuesto se reemplazan

98

las cargas por las resultantes encontradas en el análisis estático del elemento

excavador, por tal razón, se utilizaron las resultantes FAy y FBy.

Figura 100. Distribución de cargas a lo largo de la línea de acción de la estructura metálica.

Las cargas que están ubicados en la línea de acción son:

Wb: peso de la base

WPE: peso del panel de instrumentos y la estructura

WUA: peso de la unidad de abastecimiento

WUG: peso de la unidad de giro

A continuación se procede a realizar el cálculo de momentos en el punto A

para encontrar la reacción en el punto B.

-[(293.53N).(2cm)]-[(11.17N).(7cm)]+[(220.38N).(9.5cm)]-[(543.90N).(58cm)]-

[(294N).(100cm)]-[(19.6N).(104cm)]-RB(116cm)=0

RB= 530.65N

Luego se procede a calcular la reacción en el apoyo A

[(19.6N).(12cm)]+[(294N).(16cm)]+[(543.90N).(58cm)]-

[(220.38N).(106.5cm)]+[(11.17N).(108.5cm)]+[(293.53N).(113.5cm)]-

RC(116cm)=0

99

RA= 410.12N

Con las reacciones encontradas en los apoyos A y B se procedió a encontrar

la carga que debe soportar una de las base de la estructura, para lo cual se

tomó el valor de RB de las reacciones antes calculadas y se la dividió para dos,

puesto que en esa vertical se ubican 2 bases, cabe destacar, que el valor que

se obtuvo fue el parámetro que se utilizó para elegir las garruchas de la

estructura.

RB= 530.65N

Luego de calcular la carga que debe soportar una base se determinó que una

garrucha deberá soportar un peso de 265.32N que corresponde a una masa

de 20.07Kg.

Como se demostró las reacciones en A y B son diferentes, puesto que, las

cargas no están equilibradas y aun así no existe rotación del banco didáctico,

sin embargo, esta desproporción tiene el objetivo de evitar que exista una

rotación de la estructura ante una eventual aplicación de fuerza en el extremo

de la pala cuando esta se encontré en reposo, a continuación se calcula la

fuerza que se puede aplicar en el extremo de la pala para mantener el

equilibrio estático y por consiguiente las reacciones en el punto A y B sean

iguales.

100

F=62.16N

Como se demostró en la pala se puede aplicar una fuerza de 62.16N y aun así

el banco didáctico no se moverá.

4.7. CONSTRUCCIÓN DEL BANCO DIDÁCTICO DEL BRAZO Y

GIRO DE UNA RETROEXCAVADORA.

El proceso de construcción se caracteriza por realizar varias operaciones en

un mismo elemento, a través de un equipo u herramientas que se describen en

la tabla 27.

Tabla 27. Equipos y herramientas utilizadas en el proceso de construcción.

Equipos

Soldadora SMAW

Taladro de pedestal

Taladro de mano

Compresor y pistola de gravedad

Herramientas

Juego de llaves mixtas y corona

Destornilladores

Lima plana, media caña y limatón

Arco de sierra

Cierras circulares

Serrucho

Entenalla

Prensa mecánica

Juego de brocas

Granete

Rayador

Regla metálica

Flexómetro

Escuadra de precisión

101

Los elementos constitutivos del banco didáctico se caracterizan también por el

tipo de material o marca, por tal razón en la tabla 28 se presenta las

características mencionadas.

Tabla 28. Material y modelos de los sistemas del banco didáctico.

Sistema /Elemento Constitución Material/Marca

Brazo mecánico

Pluma ASTM-A36

Brazo ASTM-A36

Cucharon ASTM-A36

Implementos de giro ASTM-A36

Base ASTM-A36

Sistema de giro

Conjunto de engranes -

Bocín Cobre

Base -

Pernos -

Tuerca de presión -

Sistema oleohidráulico

Deposito ASTM-A36

Filtro de aspiración Hidroline

Bomba oleohidraulica Honor

Tapa respiradero Hidroline

Nivel de aceite Stauff

Motor eléctrico Weg

Válvulas 6/3 AHS

Válvulas reguladora de caudal

Internacional

Cilindros de doble efecto -

Hidromotor Honor

Mangueras y acoples -

Banco didáctico

Estructura ASTM-A36

Panel de instrumentos Madera

Ruedas -

Sistema eléctrico

Switch ON/OFF -

Enchufe -

Cableado -

102

4.7.1. CONSTRUCCIÓN DEL ELEMENTO EXCAVADOR Para fabricar los elementos del brazo excavador se decidió partir de la

creación de moldes de madera, con la finalidad de moldear la platina y que las

cotas de diseño se respeten, las operaciones en este proceso se presentan en

la tabla 29, junto con los tiempos en que se ejecutaron cada gestión.

Tabla 29. Operaciones ejecutadas en la fabricación de los moldes de madera.

Elementos Operación Tiempo(min)

Moldes

Trazado 90

Corte 30

Pulido 30

Los moldes de madera creados en la fase de construcción se muestran en la

figura 101.

Figura 101. Moldes de madera para el elemento excavador.

4.7.1.1. Construcción de la pluma Las principales operaciones que se ejecutaron en la construcción de la pluma

se presentan en la tabla 30.

103

Tabla 30. Operaciones ejecutadas en la fabricación de la pluma.

Elemento Operación Tiempo(min)

Pluma

Trazado 60

Corte 90

Moldeo 30

Prensado 10

Soldado 40

Desbastado 15

Graneteado 20

Limado 15

Taladrado 15

Masillado 40

Lijado 120

Acabado 180

La pluma completamente acabada se presenta en la figura 102 y las figuras

ilustrativas de todo proceso se presentan en el Anexo 17.

Figura 102. Pluma.

4.7.1.2. Construcción del brazo Las operaciones fundamentales que se ejecutaron en la construcción del brazo

se presentan en la tabla 31.

104

Tabla 31. Operaciones ejecutadas en la construcción del brazo.


Brazo

Trazado 30

Corte 60

Moldeo 20

Prensado 10

Soldado 30

Desbastado 10

Graneteado 30

Limado 15

Taladrado 30

Masillado 30

Lijado 90

Acabado 120

El brazo se presenta en la figura 103 y las figuras ilustrativas de la

construcción se muestra en el Anexo 18.

Figura 103. Brazo.

4.7.1.3. Construcción del cucharon y de los implementos de giro

Las principales operaciones que se ejecutaron en la construcción del cucharon

y los implementos de giro se presentan en la tabla 32.

105

Tabla 32. Operaciones ejecutadas en la fabricación del cucharon y los implementos de giro.


Balde e implementos de giro

Trazado 90

Corte 45

Moldeo 20

Prensado 10

Soldado 30

Desbastado 20

Limado 10

Masillado 30

Lijado 60

Acabado 120

El balde y los implementos de giro se presentan en la figura 104, las figuras

demostrativas de la construcción se despliegan en el Anexo 19.

Figura 104. Balde e implementos de giro.

4.7.2. CONSTRUCCIÓN DE LA BASE DEL ELEMENTO EXCAVADOR

Las principales operaciones que se ejecutaron en la construcción de la base

del elemento excavador se presentan en la tabla 33.

106

Tabla 33. Operaciones ejecutadas en la fabricación de la base del elemento excavador.


Base del elemento excavador

Trazado 40

Acerrado 60

Soldado 20

Desbastado 10

Limado 10

Graneteado 20

Taladrado 10

Acabado 120

La base se presenta en la figura 105 y las figuras demostrativas de su

construcción se despliegan en el Anexo 20.

Figura 105. Base del elemento excavador.

Cabe destacar que la base esta acoplada a la estructura metálica por medio

del proceso de soldadura antes señalada previa medición con todos los

elementos del brazo.

107

4.7.3. CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL BANCO DIDÁCTICO

Las operaciones fundamentales que se ejecutaron en la construcción de la

estructura del banco didáctico se presentan en la tabla 34.

Tabla 34. Operaciones ejecutadas en la fabricación de la estructura del banco didáctico.


Estructura del banco didáctico

Trazado 45

Acerrado 30

Soldado 60

Desbastado 20

Limado 15

Taladrado 10

Acabado 180

La estructura completamente terminada junto con las garruchas instaladas se

presenta en la figura 106 y las figuras ilustrativas de la construcción se

muestra en el Anexo 21.

Figura 106. Estructura metálica del banco didáctico.

108

4.7.4. CONSTRUCCIÓN DEL PANEL DE INSTRUMENTOS

Las operaciones principales que se ejecutaron en la construcción del panel de

instrumentos se presentan en la tabla 35.

Tabla 35. Operaciones ejecutadas en la fabricación del panel de instrumento.


Panel de instrumentos

Trazado 15

Corte 30

Ensamblado 25

Taladrado 20

Acabado 120

El panel de instrumento se presenta en la figura 107 y las figuras ilustrativas de

la construcción se muestra en el Anexo 22.

Figura 107. Panel de instrumentos.

4.7.5. ENSAMBLE, MONTAJE E INSTALACIÓN DE LOS ELEMENTOS

CONSTITUTIVOS DEL BANCO DIDÁCTICO

Las operaciones fundamentales que se ejecutaron para el ensamble, montaje

e instalación de los elementos constitutivos del banco didáctico se presentan

en la tabla 36.

109

Tabla 36. Operaciones ejecutadas en el ensamblaje montaje e instalación del elementos constitutivos del banco didáctico.

Elemento/Sistema Operación Tiempo(min)

Elemento excavador

Lubricación 5

Ensamble 5

Montaje 2

Unidad de giro

lubricación 2

Ensamble 2

Apriete 1

Montaje 3

Unidad de almacenamiento Montaje 2

Apriete 5

Panel de instrumentos Montaje 3

Sujeción 5

Actuadores, válvulas y mandos

Montaje 15

Ensamble 5

Sujeción 5

Mangueras, acoples y accesorios

Montaje 10

Conexión 20

Apriete 10

Instalación 5

Sistema eléctrico Montaje 20

Conexión 2

El banco didáctico del sistema hidráulico del sistema hidráulico del brazo y giro

de la cabina de la retroexcavadora se presenta en la figura 108, las figuras

ilustrativas de todo el proceso se muestra en el Anexo 23.

110

Figura 108. Banco didáctico del proyecto.

4.8. PUESTA A PUNTO DEL BANCO DIDÁCTICO

Esta etapa trata sobre la operación, seguridad y pruebas de funcionamiento

del banco didáctico del sistema oleohidráulico del brazo y giro de una

retroexcavadora.

4.8.1. NORMAS DE SEGURIDAD

Antes de operar el banco didáctico tome en consideración que la mala

utilización del sistema puede ocasionar una lesión o acontecimiento peligroso

por tal razón se recomienda:

a) Utilizar la ropa de taller y todo el equipo de protección personal requerido

al ingresar al laboratorio de hidráulica.

b) Antes de utilizar el banco didáctico percátese de que no exista personas

junto al elemento excavador.

c) Si surge un problema gire de inmediato el selector a la posición OFF.

111

d) Por ninguna razón retire el protector del conjunto de engranajes, puesto

que podría producirse un atrapamiento tanto de la ropa de trabajo como en

los dedos de su mano.

4.8.2. MANEJO DEL SISTEMA OLEOHIDRAULICO

4.8.2.1. Operación previa al funcionamiento

Antes de proceder a operar el banco didáctico se debe realizar y verificar las

siguientes consideraciones:

1) Verifique el nivel del aceite.

2) Constate de manera visual que no existe fugas a lo largo del sistema.

3) Verifique que no exista un exceso de polvo en los vástagos de los

cilindros, de ser así, limpie esas superficies.

4) Conecte la línea de energía a una fuente de 110v.

5) Encienda el banco didáctico.

6) Verificar que la presión de trabajo se encuentre en 3MPa o 30bar.

7) Accione los mandos del circuito oleohidráulico del brazo y verifique que no

exista fugas en los cilindros de doble efecto.

8) Accione el mando del circuito oleohidráulico del giro y verifique que no

exista ninguna fuga y el hidromotor funcione correctamente.

4.8.2.2. Encendido, apagado y paro de seguridad

Para el encendido previamente se debe conectar el enchufe a la línea de

energía a una fuente de 110v, finalmente gire el selector a la posición ON.

Para apagar el banco didáctico asegúrese de dejar el brazo mecánico en una

posición replegada luego gire el selector a la posición OFF.

En caso de existir algún inconveniente tanto por peligro o por fallo del sistema

gire rápidamente el selector a la posición off, luego si, está solucionado el

112

inconveniente asegúrese de no estar accionando ninguna palanca, entonces

proceda a encender nuevamente el banco didáctico.

4.8.2.3. Funcionamiento del sistema

Previo al funcionamiento primero verifique que la presión del sistema se

encuentre en 3MPa para lo cual debe accionar una palanca hasta que uno de

los cilindros llegue a terminar su carrera, luego accione los mandos por

palancas de una en una, si requiere manipular las válvulas reguladoras de

caudal utilice la llave hexagonal proporcionado en el banco para desbloquear

el giro de las mismas, gradúe el paso de caudal de acuerdo a lo que requiera,

una vez obtenga el porcentaje de caudal requerido, apriete y bloquee el giro,

puesto que la vibración generada podría cambiar este parámetro.

4.8.3. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO

En este apartado se presenta las pruebas que se realizaron y los resultados

obtenidos en el banco didáctico.

Las pruebas que se realizaron en el banco didáctico fueron:

a) Presión máxima del sistema.

b) Presión mínima del sistema.

c) Presión de operación del sistema.

d) Velocidad lineal de salida del vástago de los cilindros hidráulicos sin

restricción de caudal.

e) Velocidad lineal de salida del vástago de los cilindros hidráulicos con


f) Velocidad lineal al retornar el vástago de los cilindros hidráulicos sin


g) Velocidad lineal al retornar el vástago de los cilindros hidráulicos con


h) Velocidad del hidromotor sin graduación de caudal.

113

i) Velocidad del hidromotor con graduación de caudal.

4.8.3.1. Calibración y levantamiento de información

Los resultados obtenidos producto de las pruebas realizadas son:

a) Presión máxima del sistema.

La presión entregada por el sistema en un principio excedía la del manómetro

(> 4MPa), y en si está bien puesto que los cálculos demostraron que la presión

máxima podría ser de 5.8MPa, por ende, se procedió a reducir la fuerza de

recuperación del muelle de la válvula reguladora de presión o VLP ubicada en

la entrada de las válvulas direccionales, pues no se necesita tener tanta

presión para mover el sistema y por lo tanto el motor eléctrico va estar

sometido a menos cargas.

b) Presión mínima del sistema

Luego de reemplazar el muelle de la VLP la presión del sistema se redujo a

2MPa sin ningún tipo de regulación por consiguiente ya existía manera de

regular la presión en el sistema, manteniéndose dentro de los límites del

manómetro del banco didáctico.

c) Presión de operación del sistema.

La presión de operación se decidió mantenerla a casi la mitad de la presión

máxima, es decir a 3MPa ya que los movimientos no serán tan bruscos al

término de la carrera de los actuadores además el sonido del sistema es

reducido.

d) Velocidad lineal de salida del vástago de los cilindros hidráulicos sin


La velocidad de salida del vástago del cilindro hidráulico sin la restricción de

las válvulas reguladoras de caudal es 0.05m/s, este dato fue encontrado luego

de cronometrar el tiempo que tarda el vástago de cada cilindro en completar su

carrera, el producto de esta operación se presenta en la tabla 37.

114

Tabla 37. Velocidad de salida del vástago sin restricción de caudal.

Cilindro actuador

Carrera(mm) Tiempo (s) Promedio Velocidad(m/s)

Pala 70 1.5 1.4 1.1 1.6 1.4 1.4 0.05

Brazo 145 2.7 3 2.9 2.9 3 2.9 0.05

Pluma 110 2.34 1.91 2.4 2.28 1.99 2.19 0.05

e) Velocidad lineal de salida del vástago de los cilindros hidráulicos con


Al controlar las válvulas reguladoras de caudal para la extensión del vástago

se decidió estabilizar la velocidad en 0.022m/s, puesto que los movimientos

son menos bruscos y sobretodo precisos, en la tabla 38 se muestra los

tiempos y los datos necesarios para encontrar la velocidad de salida del

vástago de los actuadores.

Tabla 38. Velocidad de salida del vástago con graduación de caudal.

Cilindro actuador


Pala 70 3.15 3.75 3 3.12 2.64 3.126 0.022

Brazo 145 6.78 6.68 6.9 5.98 5.92 6.452 0.022

Pluma 110 4.55 5.11 5.3 4.66 4.97 4.924 0.022

f) Velocidad lineal al retornar el vástago de los cilindros hidráulicos sin


La velocidad del vástago al culminar su carrera al replegarse, sin la restricción

de las válvulas reguladoras de caudal es 0.075m/s, este resultado se obtuvo

tras recabar la información que se presenta en la tabla 39.

Tabla 39. Velocidad de retorno del vástago sin graduación de caudal.

Cilindro actuador


Pala 70 0.93 0.9 1.3 0.86 0.65 0.928 0.075

Brazo 145 1.95 1.98 1.9 1.92 1.88 1.928 0.075

Pluma 110 1.66 1.31 1.4 1.61 1.34 1.464 0.075

115

g) Velocidad lineal al retornar el vástago de los cilindros hidráulicos con


Al controlar las válvulas reguladoras de caudal para el repliegue del vástago de

igual manera se la estabilizó en una velocidad en 0.022m/s, con la finalidad de

igualar la velocidad del vástago tanto en su extensión como en su retorno, los

datos recabados se presentan en la tabla 40.

Tabla 40. Velocidad de retorno del vástago con graduación de caudal.

Cilindro actuador


Pala 70 3 3.24 3.3 3.8 2.66 3.202 0.022

Brazo 145 6.57 6.38 6.8 6.03 6.92 6.538 0.022

Pluma 110 4.85 4.98 5.1 4.76 4.97 4.932 0.022

h) Velocidad del hidromotor sin graduación de caudal

La velocidad rotacional del eje del motor hidráulico sin restricción alguna de la

válvula reguladora de caudal es 5.5 rev/s, este resultado se obtuvo tras

recabar información visual tanto del número de giros a un tiempo determinado

que se presenta en la tabla 41.

Tabla 41. Velocidad del eje del hidromotor sin graduación de caudal.

Elemento Giros (rev)

Tiempo(s) Promedio Velocidad (rev/s)

Giro 10 1.82 1.84 1.83 1.84 1.76 1.818 5.5

Corona 1 0.63 0.77 0.69 0.77 0.61 0.694 1.4

La diferencia de velocidad de la corona se da porque existe una diferencia en

cuanto al número de dientes del piñón (16 dientes) y la corona (62), es decir

existe una relación de 0.25, por lo tanto se puede concluir que mientras el

piñón gira 4 vuelta la corona girará una vez.

i) Velocidad del hidromotor con graduación de caudal

Al controlar la válvula reguladora de caudal para disminuir el giro del motor

hidráulico y de la corona de giro se decidió estabilizar la velocidad en 1.8 y 0.5

respectivamente, la información recabada se presenta en la tabla 42.

116

Tabla 42. Velocidad del eje del hidromotor sin graduación de caudal.

Elemento Giros (rev) Tiempo(s) Promedio Velocidad (rev/s)

Giro 10 5.39 6.01 5.14 5.28 5.76 5.516 1.8

Corona 1 2.04 2.6 1.98 1.87 1.89 2.076 0.5

Luego de culminar con todo el proyecto se procedió a elaborar guías de

práctica que serán útiles para los estudiantes y técnicos que se preparan en la

materia de hidráulica y equipo pesado, las guías se presentan en el Anexo 24.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

117

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1. CONCLUSIONES

Posterior al análisis de los sistemas oleohidráulicos de las aplicaciones móviles

de la hidráulica se determinó que el equipo oleohidráulico de una

retroexcavadora está constituido por una unidad de abastecimiento y

trasformación de energía, la unidad de control y la unidad de trabajo, además

que el sistema oleohidráulico proporciona un control preciso de los

movimientos del elemento mecánico, de giro y traslación.

Los diagramas hidráulicos proporciona información referente a los puntos de

presión, retorno y por supuesto los componentes que integran cada unidad del

equipo oleohidráulico.

La selección de la bomba hidráulica esta relacionada directamente con los

requerimientos de caudal y presión que necesita el actuador de mayor

exigencia en el sistema oleohidráulico.

Las válvulas direccionales 6/3 con paso directo del caudal hacia el tanque en

su estado de reposo proporciona un beneficio directo a la unidad de

suministro, puesto que, el motor eléctrico parte sin carga.

El utilizar válvulas reguladoras de caudal en un solo sentido proporciona que la

velocidad del vástago de un cilindro de doble efecto sea igual en repliegue

como en extensión.

El implementar un banco didáctico del sistema hidráulico de una

retroexcavadora un taller automotriz mejora las destrezas y conocimientos de

técnicos u estudiantes en los circuitos oleohidráulicos de una retroexcavadora.

Las guías de práctica son de mucha ayuda para estudiantes o técnicos que

utilizan el banco didáctico, puesto que, a través de ellas mejoran sus

conocimientos y habilidades en campo de la oleohidráulica.

118

5.2. RECOMENDACIONES

Incorporar dos válvulas antirretorno desbloqueables en las líneas de presión

que controlan el movimiento de la pluma para que la misma se mantenga en

una misma posición por un tiempo prolongado ante un paro repentino del

motor eléctrico o estado de reposo del sistema.

Implementar un juego de electroválvulas al sistema oleohidráulico junto con un

joystick para complementar la operación del movimiento del brazo mecánico y

la unidad de giro a través de señales pilotadas.

Incorporar un regulador de velocidad con la finalidad de variar el giro del eje de

del motor eléctrico y por ende controlar el caudal que entrega la bomba

oleohidraulica.

Implementar un manómetro en la unidad de giro para visualizar la presión de

descarga.

BIBLIOGRAFÍA

119

BIBLIOGRAFÍA

Almandoz, J., Belen, M., & Idoia, P. (2007). Sistemas Neumàticos Y

Oleohidràulicos. Escuela Universitaria Politecnica San Sebastian

Donostia.

Berrondo, A., Oquiñeda, J., & Belen, S. (2007). Sistemas Neumáticos y

oleohidráulicos. Vasco: Universidad San Sebastian Donostia.

Borowitz, S., & Bornstein, L. (2006). Visiòn Contemporànea de la Fisica

Elemental. New York: PrepoFis.

Budynas, R., & Nisbett, K. (2008). Diseño en Ingeniería Mecánica de Shigley.

México: McGraw Hill.

Cabrera, R. (6 de septiembre de 2015). Obtenido de

http://ricuti.com.ar/no_me_salen/hidrodinamica/FT_caudal.html

Caso, M. (2008). Brazo excavador compacto. Lima: Pontificia Universidad

Catolica del Perù.

CATERPILLAR. (2000). Manual de rendimiento. Illinois.

CATERPILLAR. (2008). Manual del excavador 345D. Illinois.

Caterpillar Inc. (2010). CAT. Excavadorea hidraulica 374D.

Delnero, J. (2013). Departamento de Aeronautica. Recuperado el 11 de

Diciembre de 2015, de

http://www.aero.ing.unlp.edu.ar/laclyfa/Carpetas/Catedra/Archivos/Hidau

lica%20A.pdf

DIGSA. (2016). Componentes hidráulicos y neumaticos: Zaragosa.

Duarte, C. (2011). Mecánica de Fluidos e Hidráulica. Bogota: Universidad

Nacional de Colombia.

Eaton Corporation. (2009). Catalogo de motores:Eaton.

120

Ferreyros. (2004). Manual de electricidad.

Ferreyros. (2004). Manual del estudiante de hidráulica.

FESTO. (2013). Festo. Recuperado el 12 de Diciembre de 2015, de

http://www.festo-

didactic.com/ov3/media/customers/1100/551145_leseprobe_es.pdf

Figliola, R., & Donald, B. (2008). Mediciones Mecánicas Teoría y Diseño. New

Jersey: Alfaomega.

Finning S.A. (2003). Hidráulica. Chile.

Gómez, S. (2010). SolidWorks. México: Marcopolo.

Hernández, R., Fernández, C., & Baptista, P. (2006). Metodología de la

Investigación. México: McGraw Hill.

Honor Pumps. (2009). Catalogo de bombas Honor.

ISO. (2010). ISO. Recuperado el 26 de Abril de 2016, de

http://www.iso.org/iso/catalogue_detail.htm?csnumber=44781

LARZEP. (2006). Manual de instrucciones y mantenimiento de cilindros

hidráulicos.

Lenin, V. (2012). Hidràulica. Quito.

Leòn, V., & Yaselga, R. (2013). Diseño, construcción de un banco didáctico del

sistema de traslación y giro de los tractores de cadena. Latacunga:

Escuela politècnica del ejèrcito.

Maquina Total. (Junio de 2016). ISSUU. Recuperado el 6 de Julio de 2016, de

https://issuu.com/revistamaquinatotal/docs/mt5

MECATEC. (2013). Manual de Formacion Excavadora Hidraulica. Cusco.

Mott, R. (2008). Resistencia de materiales. Mexico: Person educaciòn.

121

Pacheco, M., & Vizuete, J. (2006). Diseño y construcciòn de un simulador de

movimientos de una retroexcavadora controlado por un sistema de

mando automatizado. Latacunga: Escuela politecnica del ejèrcito.

Pico, C. (20011). Gestiòn del mantenimiento para la secciòn de equipo

caminero del gobierno municipal de Arajuno. Riobamba: Escuela

Superior Politecnica de Chimborazo.

Ranald, G., Evett, J., & Cheng, L. (1994). Mecànica de los fluidos e hidràulica.

Madrid: McGraw-Hill.

Roshfrans. (2013). Roshfrans. Recuperado el 29 de Mayo de 2016, de

http://www.roshfrans.com/wp-content/uploads/2015/03/55-HDS-

HIDRAULICO-AW-ISO-VG-68.pdf

Sohipren S.A. (2005). Manual Basico de oleohidráulica. Córdoba.

Vallejo, P., & Zambrano, J. (2003). Fisica Vectorial. Quito: Grafiti Ofssett.

Weg. (2016). Weg. Recuperado el 5 de Junio de 2016, de

http://www.weg.net/ec/Productos-y-Servicios/Motores-

Electricos/Monofasicos

Wordspress. (2008). Wordspress.org. Recuperado el 6 de Diciembre de 2015,

de https://sjnavarro.files.wordpress.com/2008/09/equipo-

retroexcavadora.pdf

ANEXOS

122

ANEXOS

ANEXO 1.

ESPECIFICACIONES DE LA RETROEXCAVADORA 374D L

123

124

ANEXO 2.

PLANOS DE LA PLUMA

125

ANEXO 3.

PLANOS DEL BRAZO

126

ANEXO 4.

PLANOS DEL BALDE

127

ANEXO 5.

PLANOS DE LA BASE

128

ANEXO 6.

PLANOS DEL IMPLEMENTO DE GIRO

129

ANEXO 7.

PLANOS DEL ELEMENTO DE ENLACE

130

ANEXO 8.

PLANOS DE LA BASE DE LA UNIDAD DE GIRO

131

ANEXO 9.

PLANOS DE LA CORONA DE GIRO

132

ANEXO 10.

PLANOS DEL PIÑON DE GIRO

133

ANEXO 11.

PLANOS DE LA CARCAZA

134

ANEXO 12.

CATALOGO DE BOMBAS HONOR

135

136

ANEXO 13.

CATALOGO DE HIDROMOTORES EATON DE LA SERIE J

137

ANEXO 14.

CATALOGO DE MOTORES ELECTRICOS WEG

138

ANEXO 15.

PLANOS DE LA ESTRUCTURA

139

ANEXO 16.

PLANOS DEL PANEL DE INSTRUMENTOS

140

ANEXO 17.

IMÁGENES ILUSTRATIVAS DEL PROCESO DE CONSTRUCCION DE LA PLUMA

141

ANEXO 18.

IMÁGENES ILUSTRATIVAS DEL PROCESO DE CONSTRUCCION DEL BRAZO

142

ANEXO 19.

IMÁGENES ILUSTRATIVAS DEL PROCESO DE CONSTRUCCION DEL CUCHARON E IMPLEMENTOS DE GIRO

143

ANEXO 20.

IMÁGENES ILUSTRATIVAS DE LA CONSTRUCCION DE LA BASE DEL ELEMENTO EXCAVADOR

144

ANEXO 21.

IMÁGENES ILUSTRATIVAS DE LA CONSTRUCCION DE LA ESTRUCTURA

145

ANEXO 22.

IMÁGENES ILUSTRATIVAS DE LA CONSTRUCCION DEL PANEL DE INSTRUMENTOS

146

ANEXO 23.

IMÁGENES ILUSTRATIVAS DEL ENSAMBLE DEL BANCO DIDACTICO

147

ANEXO 24.

GUIAS DE PRÁCTICA

Autor: Marcelo Salguero Fecha: Enero-

2016

PRACTICA N°1

“IDENTIFICACION DE COMPONENTES DEL BANCO DIDACTICO”

1. OBJETIVOS

Reconocer los elementos constitutivos del brazo mecánico y del giro

del banco didáctico.

Identificar las unidades que componen un sistema oleohidráulico.

Reconocer los principales elementos de los circuitos oleohidráulicos.

2. BASE CONCEPTUAL

Hidráulica

La hidráulica es un medio para transferir energía y crear movimientos a través

de un fluido sometido a presión, es decir, se utiliza fluidos hidráulicos

incompresibles con la finalidad de transferir energía a elementos que generan

trabajo.

El utilizar un fluido líquido en los sistemas hidráulicos tiene ventajas como:

Los líquidos son relativamente incompresibles y por lo tanto transmite

energía con gran eficiencia.

Pueden adoptar la forma del recipiente o conducto de un sistema

hidráulico.

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERIA E

INDUSTRIAS

INGENIERIA AUTOMOTRIZ

148

Principio de pascal

El principio de Pascal nos dice “La presión aplicada a un líquido confinado se

transmite uniformemente en todas direcciones, y ejerce fuerzas iguales

sobre áreas iguales”.

Oleohidraulica

Es un medio para transferir energía, crear y controlar movimientos mediante

un aceite sometido a presión. La oleohidráulica tiene muchas aplicaciones

tanto en equipos especiales, maquinaria de construcción, fábricas de

producción, etc.

La oleohidráulica tiene las siguientes ventajas:

Trasferencia y multiplicación de fuerzas por reducción de áreas de

elementos en contacto con el fluido.

Control de movimientos, fuerza y posicionamiento con gran precisión.

Fácil control de velocidad e inversión de movimiento.

Protección de elementos del sistema ante sobre cargas.

Las desventajas en estos sistemas son:

Altas presiones de funcionamiento generando un riesgo para los

operadores ante una fuga en el sistema.

Riesgo de accidentes por fugas y contaminación del medio ambiente.

Alto costo de elementos del sistema.

Desgaste de sellos, elementos móviles y fijos del sistema por suciedad

en el ambiente o el medio que se encuentra.

Problemas por propiedades del fluido y temperatura del mismo, por lo

tanto baja eficiencia.

Constitución de los Sistemas oleohidráulicos

Todo equipo oleohidráulico cuenta con las siguientes unidades:

1. Unidad de almacenamiento y transformación de energía.- El depósito

de aceite abastece a todo el sistema oleohidráulico con fluido, luego la

bomba oleohidraulica succiona el aceite y suministra caudal al sistema.

149

2. Unidad de control.- Emitir señales de control que posteriormente se

transforma en movimiento en los actuadores

3. Unidad de trabajo.- está constituida por actuadores y se encargan de

generar movimientos lineales o rotativos

Elementos principales del sistema oleohidráulico

Todo sistema oleohidráulico cuenta con los principales elementos:

Deposito o tanque

Motor eléctrico

Bomba oleohidraulica

Válvula limitadora de presión

Válvulas de control

Actuadores

Retroexcavadora

Es una maquinaria pesada autopropulsada que se usa principalmente en el

campo de la construcción para excavar y remover material pétreo a través de

su pala. Esta maquinaria autopropulsada puede rotar 360°, es decir, puede

girar a sus en todos los frentes para depositar el material extraído producto de

150

la excavación.

La retroexcavadora tiene las siguientes funciones:

Excavar tierra y rocas a distintos niveles del suelo y ubicarlo a su

alrededor a través del giro y la extensión del brazo hidráulico

Remover material pétreo de las paredes de un terreno o montaña.

Cargar el material extraído y depositarlo en un transporte de carga.

La retroexcavadora está compuesta por las siguientes unidades:

a) La unidad de trabajo está constituido de las siguientes partes:

b) La unidad giratoria tiene la particularidad de proporcionar un ángulo de

giro de 360º, utiliza un hidromotor para la impulsión, un conjunto de

engranajes y un rodamiento para el giro de esta unidad tal como se ve

en la figura 46.

151

4. MATERIAL

Banco didáctico del sistema hidráulico del brazo y giro de la cabina de una

retroexcavadora.

5. MÉTODO

Identificar las partes constitutivas del elemento excavador y de giro

reconocer las la unidades del sistema oleohidráulico.

Identificar las principales partes del sistema oleohidráulico

Efectuar un diagrama de las partes del sistema oleohidráulico

Realizar una lista de los componentes del sistema oleohidráulico e

indicar a que unidad pertenece.

6. CUESTIONARIO

1) ¿Cuál es la principal ventaja y desventaja de los sistemas

oleohidráulicos?

2) ¿Cuáles son las partes de elemento excavador?

3) ¿Cómo identifica la unidad de abastecimiento y transformación de

energía?

4) ¿Cuál es el elemento que entrega caudal al sistema?

5) ¿Qué es elemento interviene directamente en la presión del sistema

oleohidráulico?

BIBLIOGRAFÍA



152

MECATEC. (2013). Manual de Formacion Excavadora Hidraulica. Cusco.






2016

PRACTICA N°2

“IDENTIFICACION DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA OLEOHIDRAULICO”

1. OBJETIVOS

Reconocer los elementos constitutivos del sistema oleohidráulico.

Identificar el tipo de válvulas direccionales.

Visualizar los tipos de válvulas reguladoras de caudal.

Asimilar la función y operación de las válvulas reguladoras de caudal.



INDUSTRIAS


153

2. BASE CONCEPTUAL

Sistema oleohidráulico

Está compuesto por las siguientes partes:

a) Deposito.- Debe suministrar y almacenar aceite hidráulico en perfectas

condiciones para todo el sistema.

a)Cubierta superior, b)Junta, c)Indicador del nivel de fluido, d)Tapón de

llenado, e)Tapón de drenado, f)Conducto de Aspirado, g)Conducto de retorno

, h)Filtro de aceite, i)Filtro de aire, j)Separador, k)Colador.

b) Bomba oleohidraulica.- Se encarga de suministrar caudal a los

conductos del sistema, cabe recalcar que la bomba por sí sola no

puede crear movimiento para que sus mecanismos empiecen a

funcionar, por ello, está conectada a un motor eléctrico o de

combustión interna que entrega energía mecánica. Entre los

principales tipos de bombas se encuentran las de engranajes, paletas y

pistones.

154

c) Válvulas hidráulicas.- Son las encargadas de direccionar el flujo,

regular la presión y controlar el caudal para cumplir con los diferentes

parámetros de diseño.

d) Actuadores.- Los actuadores tienen como función convertir la potencia

hidráulica en movimiento lineal o giratorio.

Dentro de los actuadores tenemos los siguientes:

Cilindros.- Transforma la potencia hidráulica en movimiento lineal,

pueden ser de simple y doble efecto.

155

Hidromotores.- Transforma la potencia hidráulica en energía mecánica

e) Filtros.- Los filtros son elementos de gran importancia en cualquier

sistema oleohidráulico, tienen como misión retener todo tipo de

impureza evitando que elemento particulado y sedimentos causen un

desgaste prematuro en elementos móviles o una obstrucción en ellos,

por ende, alarga la vida útil de los demás elementos se circuito.

f) Tuberías y acoples.- Los medios de conexión entre los diferentes

elementos en los sistemas oleohidráulicos son las tuberías rígidas o

flexibles, en sus extremos cuenta con racores, estos elementos de

156

unión garantizan que no existan fugas de fluido por la presión de

operación.

Simbología

Líneas del circuito


Conductos de presión

Conducto flexible

Cruce de conductos

Conexión de líneas de presión

Línea al tanque por encima y por debajo del nivel.

Abastecimiento, transmisión y accesorios


Deposito presurizado

Deposito con comunicación al aire

Bomba oleohidráulica

157

Motor eléctrico

Filtro

Manómetro

Válvulas Direccionales


Numero de posiciones

Cantidad de vías

Entradas y salidas

Sentido del flujo por posición

Posición de cierre

Válvula de dos vías con dos posiciones

Válvula de tres vías con dos posiciones

Válvula de cuatro vías con dos posiciones

Válvula de cuatro vías con tres posiciones

Válvulas reguladora de presión


Válvula alivio

Válvula reguladora de presión

Válvulas reguladora de caudal


158

Válvula reguladora ajustable

Válvula reguladora de caudal con check

Válvulas de seguridad


Válvula antirretorno con muelle

Válvula antirretorno desbloqueable

Accionamiento de las válvulas


Acción por palanca

Reposición por muelle

Cilindros


Cilindro de doble efecto

Cilindro de doble efecto con amortiguación

Cilindro de doble efecto con amortiguación regulable

Hidromotor


Motor oleohidráulico con desplazamiento fijo en un solo

sentido

Motor oleohidráulico con desplazamiento fijo en doble

sentido

Motor oleohidráulico de desplazamiento variable

3. MATERIAL


retroexcavadora.

159

4. METODO

Identificar todos los componentes del circuito oleohidráulico.

Verifique la presión de operación del sistema en reposo y en plena

ejecución.

Accionar y visualizar el trabajo de los actuadores.

Identificar qué tipo de válvulas reguladoras se encuentran en el

sistema oleohidráulico y sus determinar sus diferencias.

Realizar un diagrama del circuito oleohidráulico que controla el

elemento excavador.

Realice un diagrama del circuito que controla la unidad de giro.

5. CUESTIONARIO

1) ¿Qué funciones cumple los filtros respiraderos?

2) ¿Por qué razón existe una diferencia de presión cuando el sistema se

encuentra en reposo y plena ejecución?

3) ¿Qué diferencia existe entre una válvula limitadora de presión y una

reguladora de caudal?

4) ¿Qué diferencias existe entre una válvula reguladora de caudal

unidireccional y una de doble sentido?

5) ¿Qué parámetro se ve afectado directamente con regulación de

caudal?

BIBLIOGRAFIA

Berrondo, A., Oquiñeda, J., & Belen, S. (2007). Sistemas Neumáticos y

oleohidráulicos. Vasco: Universidad San Sebastian Donostia.





160


2016

PRACTICA N°3

“MOVIMIENTOS DEL ELEMENTO EXCAVADOR Y LA UNIDAD DE GIRO”

1. OBJETIVOS

Determinar la presión máxima del sistema.

Determinar la diferencia de velocidad de los cilindros de doble efecto

en extensión y repliegue.

Determinar el porcentaje de graduación de las válvulas reguladoras de

caudal para igualar la velocidad del vástago del cilindro.

Determinar la relación del conjunto de engranaje de la unidad de giro.

Identificar el elemento que controla la velocidad de giro del hidromotor.

Determinar la diferencia entre una válvula reguladora de caudal de

doble sentido y unidireccional.

2. BASE CONCEPTUAL

Presión

La presión es la fuerza que se ejerce en la superficie de un líquido o un

sólido.

La fórmula de presión es la siguiente:



INDUSTRIAS


161

Dónde:

P: Presión en pascales (Pa)

F: Fuerza en newton (N)

A: Área en metros cuadrados (m2)

El principio de pascal es la base para comprender la multiplicación de fuerza

mediante un fluido líquido sometido a una presión. En la figura 2.7 se puede

observar una aplicación de la multiplicación de fuerzas.

Figura 7. Presión del fluido en toda dirección.

La multiplicación de fuerza está dada por la siguiente relación entre

presiones:

Caudal

El caudal es la cantidad de fluido líquido que paso por un punto de referencia

en un determinado tiempo tal como se ve la siguiente figura.

162

La fórmula del caudal es la siguiente:

Dónde:


V: volumen (m3)

t: tiempo (s)

La fórmula del caudal en relación a la velocidad de flujo y la sección del área

interna del conducto en el que se desplaza viene dada por:

Dónde:


A: área interna de la cañería (m2)

V: Velocidad (m/s)

Velocidad del fluido

La velocidad de un fluido se la deduce de la fórmula del caudal, es el tiempo

que tarda un fluido en pasar una determinada distancia.

Q

Q

163

Cabe destacar que en un circuito puede existir diferencia en cuanto al área en

las tuberías, por tanto se puede aplicar la ecuación de continuidad para

encontrar la diferencia de velocidad ante una diminución o aumento del área.

A1V1=A2V2

Flujo laminar

En un circuito oleohidráulico es muy importante que las partículas del fluido se

muevan de manera paralela, generan menor resistencia al paso por una

tubería, para determinar si un fluido es laminar o turbulento se aplica el

número de Reynolds, si es Re<2000 el flujo es laminar, si Re>4000 el flujo es

turbulento y si el Re=2000 la velocidad es crítica.

Dónde:

Re: Numero de Reynolds (adimensional)

V: Velocidad del fluido (m/s)

Lc: Longitud del interior de una tubería (m)

Ѵ: Viscosidad cinemática (m2/s)

3. MATERIAL


retroexcavadora.

4. METODO

Identificar el grado de apertura de las válvulas de regulación de caudal

unidireccionales.

Identificar el grado de apertura de la válvula de regulación de caudal

bidireccional.

Determinar el tiempo de extensión y repliegue del vástago de todos los

cilindros.

Regular las válvulas de caudal de los cilindros al 100% y confirme los

tiempos de extensión y repliegue del vástago de todos los cilindros,

164

finalmente regrese las válvulas a la posición original.

Visualizar y consultar los datos técnicos de la bomba oleohidraulica,

cilindros y del motor eléctrico.

5. CUESTIONARIO

1) ¿Determine la velocidad del vástago tanto en extensión como en

repliegue de todos los cilindros en base al cálculo?

2) ¿Cuál es la diferencia de velocidad del vástago tanto en extensión

como en repliegue de todos los cilindros?

3) ¿Determine el porcentaje de apertura de las válvulas reguladoras de

caudal para igualar la velocidad de entrada y de salida del vástago?

4) ¿Qué grado de apertura deben tener cada válvula para que la

velocidad de entrada y de salida del vástago sea igual a 1,5cm/s?

BIBLIOGRAFIA

Duarte, C. (2011). Mecánica de Fluidos e Hidráulica. Bogota: Universidad

Nacional de Colombia.

Finning S.A. (2003). Hidráulica. Chile..





Documents

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIALrepositorio.ute.edu.ec/bitstream/123456789/14188/1/66879... · 2018. 3. 29. · Hidráulica, oleohidráulica, presión, fuerza, área, caudal,