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FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
“Verificación de solicitaciones y característicasprincipales de tolva para Mina Sur”
ANTOFAGASTA, Noviembre 2010
7/25/2019 Memoria Fz
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UNIVERSIDAD DE ANTOFAGASTA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
“Verificación de solicitaciones y característicasprincipales de tolva para Mina Sur”
Trabajo de titulación presentado en conformidad a los requisitos
para optar al título de:
Ingeniero civil Industrial en Mecánica
FRANCISCO MARCELO ZEPEDA CARVAJAL
Antofagasta, Noviembre 2010
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UNIVERSIDAD DE ANTOFAGASTA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
“Verificación de solicitaciones y características principalesde tolva para Mina Sur”
FRANCISCO MARCELO ZEPEDA CARVAJAL
Trabajo de titulación presentado en conformidad
a los requisitos para obtener el título de
INGENIERO CIVIL INDUSTRIAL EN MECÁNICA
Leopoldo Jauriat – Ing. Civil Mecánico - Profesor Guía
Hugo Cayo – Dir. Depto. Ingeniería Mecánica
COMISIÓN EXAMINADORA
Raúl Henríquez – Máster en Metalurgia Física y Mecánica
Luis sanchez – Doutor em Engenharia Mecânica
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DEDICATORIA
A mis padres Hernán Zepeda y Angélica Carvajal
A mi hermano Gabriel Zepeda
A mis abuelos Diógenes Zepeda, Elena Lavín,
Ernestina Vidal y Gastón Carvajal (Q.E.P.D.)
A mi familia.
Al más grande de todos, Dios.
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iv
AGRADECIMIENTOS
Primero que todo agradecer a mis padres Hernán Zepeda Lavín y
Angélica Carvajal Vidal por darme lo más importante de la educación: los
valores de la familia y de una buena persona. Por entregarme todo su cariño
y amor, por ayudarme a salir adelante, por entregarme las herramientas
para cumplir este objetivo y por darme la oportunidad de estudiar esta
carrera. Finalmente cumplí mi primer objetivo en la vida. Doy gracias a Dios
por haberme enviado a esta gran familia que formamos junto a mi hermano
Gabriel Zepeda, a quien también agradezco todo lo logrado; sé que pronto
lograrás también tus objetivos.
También le doy gracias a mi gran familia conformada por mis tíos, primos
y principalmente gracias a mis abuelos, por estar siempre con nosotros.
Gracias a los amigos, ya sea de la universidad o de la vida con los que
juntos logramos superar todas las barreras de esta carrera y además con los
cuales formamos una gran amistad y otros que no me acompañaron en la
universidad, pero que sin duda me acompañaron y acompañarán en la vida.
Finalmente agradecer al más grande de todos y al que dedico este gran
logro a Dios, el cual sabe todos los problemas que tuve para conseguir este
objetivo, todas las caídas y que siempre está con nosotros para perdonarnos
y mostrarnos el camino adecuado. Gracias Dios por darme la oportunidad de
vivir esta vida con estas personas y con esta gran familia. Mi forma de
agradecértelo es dedicarte cada uno de mis logros.
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v
Resumen del trabajo de título presentado a la Universidad de Antofagasta como
parte de los requisitos necesarios para la obtención del Título de Ingeniero Civil
Industrial en Mecánica.
“Verificación de solicitaciones y característicasprincipales de tolva para Mina Sur”
Francisco Marcelo Zepeda CarvajalNoviembre / 2010
Profesor Guía : Leopoldo Jauriat, Ingeniero Civil Mecánico
Número de Páginas: 150 Páginas.
Resumen: El presente trabajo aborda la problemática de poseer un producto degran importancia para las compañías mineras como lo son las tolvas de los
grandes camiones, fabricado inicialmente para un cliente específico, al cual se
le quiere dar un nuevo uso en otra compañía minera. Como se puede pensar
estas dos compañías poseen características de operación e instalaciones de
gran diferencia, por lo que se deberá realizar un análisis de las solicitaciones
del componente, ya sea estático, dinámico y de impacto. Para así establecer si
se podrá utilizar el componente sin realizar modificaciones en su estructura, o
por el contrario deberá realizarse cambios en esta.
Para una mejor comprensión el trabajo de título está dividido en 6
capítulos que se detallan a continuación.
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Capítulo 1 Planteamiento de la Problemática
Se plantea la problemática, se fija el objetivo general y los específicos,además de establecer la justificación y alcance del trabajo.
Capítulo 2 Revisión Bibliográfica
Se da a conocer información de la empresa, cliente principal, clientes
secundarios y se describe la importancia del buen diseño de una tolva.
Capítulo 3 Materiales y métodos
Se entrega y describe toda la información sobre métodos de elementos
finitos, además se describe y explica los factores y consideraciones importantes
para el diseño de una tolva.
Capítulo 4 Desarrollo y Resultados obtenidos
Se aplican metodologías de diseño mecánico para el desarrollo del
trabajo y la resolución del problema, mediante gráficos de colores
proporcionados por software de elementos finitos se exponen estos.
Capítulo 5 Discusión de Resultados
Se discuten y comparan los resultados obtenidos.
Capítulo 6 Conclusiones y Recomendaciones
Se establecen las conclusiones según los resultados obtenidos y se
definen recomendaciones para el problema planteado en este trabajo.
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ÍNDICE
LISTA DE FIGURAS..........……………………………………………………………x
LISTA DE TABLAS………………………………………………………………… .xiv
SIMBOLOGÍA....................................................................................................xvi
CAPITULO 1 PLANTEAMIENTO DE LA PROBLEMÁTICA…………………..1
1.1.- Introducción……………………………………………………………… .1
1.2.- Objetivos………………………………………………………………… ..3
1.2.1.- Objetivo general……………………………………………………3
1.2.2.- Objetivos específicos……………………………………………….4
1.3.- Justificación del trabajo………………………………………………….4
1.4.- Delimitación o alcances………………………………………………….5
CAPITULO 2 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA………………………………………6
2.1.- Historia y evolución del proveedor Conymet………………………….6
2.2.- Historia del cliente Mina Sur y de la explotación de cobre enChile……………………………………………………………………...10
2.3.- Historia de Komatsu (Cliente Secundario) y su aporte en lo quecorresponde a maquinaria pesada……………………………………15
2.4.- Descripción de la importancia del buen diseño de tolvas para lascompañías mineras…………………………………………………….16
2.5.- Definición del método de elementos finitos (M.E.F.) y su importanciapara el diseño…………………………………………………………...20
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viii
CAPITULO 3 MATERIALES Y MÉTODOS……………………………………..26
3.1.- Características y consideraciones importantes en el diseño de unatolva………………………………………………………………………26
3.1.1.- Empty Vehicle Weight (E.V.W.)………………………………….28
3.1.2.- Gross Vehicle Weight (G.V.W.)………………………………….28
3.1.3.- Volumen de carga, forma y peso………………………………...29
3.1.4.- Materiales utilizados en la fabricación de la tolva…………..…30
3.1.5.- Body Application Worksheet (B.A.W)…..…………………...….32
3.1.6.- Volumen SAE………………………………………………………33
3.1.7.- Volumen KAC………………………………………………………35
3.1.8.- Volumen Real………………………………………………………37
3.1.9.- Solicitaciones de carga, carga por ejes y centro de gravedad.37
CAPITULO 4 DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS………………40
4.1.- Parámetros y condiciones para el análisis…………………………...41
4.1.1.- Características y datos importantes de camión Komatsu830……………………………………………………………….. ..41
4.1.2.- Características importantes de material a transportar ………...42
4.1.3.- Características mecánicas de aceros con los que se encuentrafabricada la tolva…………………………………………………...42
4.2.- Construcción de modelo de tolva para camión Komatsu 830 y desus volúmenes de carga mediante software Solidworks…………..45
4.3.- Desarrollo y resultados del análisis…………………………………...54
4.3.1.- Estudio volumétrico y de disposición de carga………………...54
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ix
4.3.2.- Análisis estático de la tolva……………………………………….56
4.3.3.- Análisis dinámico de la tolva……………………………………101 4.3.4.- Análisis de impacto de la tolva………………………………….107
CAPITULO 5 DISCUSIÓN DE RESULTADOS……………………………….121
5.1.- Análisis geométrico de resultados…………………………………..122
5.2.- Análisis de esfuerzos mecánicos……………………………………124
CAPITULO 6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES…………………127
6.1.- Conclusiones…………………………………………………………..127 6.2.- Recomendaciones…………………………………………………….130
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS……………………………………………...131
ANEXOS
Anexo N°1: Soldadura y procesos de soldadura
Anexo N°2: Body Application Worksheet (B.A.W.)
Anexo N°3: Catalogo Camión Komatsu 830
Anexo N°4: Ficha Técnica Acero Anti-Abrasivo EH-500
Anexo N°5: Ficha Técnica Acero Estructural Hiten 780
Anexo N°6: Ficha Técnica Neumáticos 40.00R57
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x
LISTA DE FIGURAS
- Figura 2.1 – Visión General Organizacional de la Empresa Conymet…9- Figura 2.2 – Estructura Organizacional Conymet La Negra…………...10- Figura 2.3 – Carry Back en tolva de cuerpo metálico………….……….19 - Figura 2.4 – Modelos de CFD de automóvil de carrera………………..21 - Figura 2.5 – Modelos de CFD de avión de guerra……………………...22- Figura 2.6 – Modelos de MEF de buque de carga……………………...23 - Figura 3.1 – Volumen SAE 2:1 de tolva típica…………………………..34 - Figura 3.2 – Volumen SAE 2:1 sobre tolva y camión típicos…………..34
- Figura 3.3 – Corte para construir volumen KAC (vista posterior devolumen SAE)…………………………………………………………………36 - Figura 3.4 – Corte para construir volumen KAC (vista lateral de volumen
SAE)……………………………………………………………………………36 - Figura 4.1 – Medidas generales de camión 830E…………...………….41 - Figura 4.2 – Vista de modelo de Front de la tolva……………..……….45 - Figura 4.3 – Vista de modelo de Lateral de la tolva…………..………..45 - Figura 4.4 – Vista de modelo de Visera de la tolva…………..………...46 - Figura 4.5 – Vista de modelo de Piso de la tolva……………...………..46 - Figura 4.6 – Vista general 3D modelo de la tolva………………….……46
- Figura 4.7 – Vista general superior modelo de la tolva……………...…47 - Figura 4.8 – Detalle de obtención del centro de gravedad de la
tolva…………………………………………………………………………….48 - Figura 4.9 – Vista lateral de volumen SAE………………….………….49 - Figura 4.10 – Vista general de volumen SAE…………...………………..50 - Figura 4.11 – Vista lateral de volumen KAC…………..………………….50 - Figura 4.12 – Vista general de volumen KAC………...…………………..51 - Figura 4.13 –Detalle de obtención de coordenadas de centro de
gravedad a partir de pivote del volumen KAC con software Solidworks..52- Figura 4.14 – Vista frontal de corte de volumen KAC para análisis
estático…………………………………………………………………………56 - Figura 4.15 – Vista lateral de corte de volumen KAC para análisis
estático…………………………………………………………………………57 - Figura 4.16 – Vista superior de división de volúmenes…….…………..58 - Figura 4.17 – Situación física del problema…………………..…………..60 - Figura 4.18 – Condiciones de borde…………………………..…………..61
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xi
- Figura 4.19 – Carga en Front…………………………………..…………..62 - Figura 4.20 – Carga en Laterales……………………………………..…...63
- Figura 4.21 – Carga en piso…………………………………………...……63 - Figura 4.22 – Fuerza Dispersa…………………………………..…………64 - Figura 4.23 – Situación física para análisis del Front de tolva……...…..65 - Figura 4.24 – Condiciones de borde………………………………..……..66 - Figura 4.25 – Diagrama de esfuerzos parte Frontal del Front……..…...67 - Figura 4.26 – Diagrama de esfuerzos parte posterior del Front……..…68 - Figura 4.27 – Diagrama de esfuerzos con límite superior 700Mpa…….68- Figura 4.28 – Diagrama de esfuerzos en plano paralelo a Front……….69- Figura 4.29 – Diagrama de deformación en Front…………………..…...69 - Figura 4.30 – Situación física para análisis del lateral de tolva…………71
- Figura 4.31 – Condiciones de borde…………………………………..…..72 - Figura 4.32 – Diagrama de esfuerzos en cara exterior de lateral……....73- Figura 4.33 – Diagrama de esfuerzos en cara interior de lateral……….73- Figura 4.34 – Diagrama de esfuerzos en componentes interiores de
viga……………………………………………………………………………..74 - Figura 4.35 – Diagrama de iso-superficie para esfuerzos de
270Mpa………………………………………………………………………...74 - Figura 4.36 – Diagrama de iso-superficie para esfuerzos de
125Mpa………………………………………………………………………...75
- Figura 4.37 – Diagrama de deformación en Lateral………..……………75 - Figura 4.38 – Diagrama de esfuerzos con límite superior 360Mpa…….76- Figura 4.39 – Diagrama de esfuerzos con límite superior de
250Mpa………………………………………………………………………...76 - Figura 4.40 – Situación Física superior para análisis del Piso de la
tolva…………………………………………………………………………….78 - Figura 4.41 – Situación Física inferior para análisis el Piso de la
tolva…………………………………………………………………………….79 - Figura 4.42 – Condiciones de borde parte superior del Piso……..…….80 - Figura 4.43 – Condiciones de borde parte inferior del Piso………..……81
- Figura 4.44 – Diagrama de esfuerzos en cara inferior del Piso…….......82- Figura 4.45 – Diagrama de esfuerzos en cara superior del Piso…….....82- Figura 4.46 – Diagrama de esfuerzos con límite superior de
300Mpa………………………………………………………………………...83 - Figura 4.47 – Diagrama de esfuerzos con límite superior de
400Mpa………………………………………………………………………...83
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- Figura 4.48 – Diagrama de deformación en Piso…………...……………84 - Figura 4.49 – Diagrama de deformación en Piso…………...……………84
- Figura 4.50 – Diagrama en donde se muestra el punto máximo deesfuerzo………………………………………………………………………..85
- Figura 4.51 – Diagrama de esfuerzos en oreja de pivote (máx. 300Mpa)……………………………………………………………………….…………85
- Figura 4.52- Diagrama de esfuerzos en oreja de levante (máx.100Mpa)………………………………………………………………………..86
- Figura 4.53 – Diagrama de esfuerzos con límite superior de130Mpa………………………………………………………………………...86
- Figura 4.54 – Acercamiento zona con mayor esfuerzo en diagrama deesfuerzos con límite superior de 130Mpa……………………..…………...87
- Figura 4.55 – Situación física superior para análisis del Piso de latolva………………………………………………………………………….....89
- Figura 4.56 – Situación física inferior para análisis del Piso de latolva………………………………………………………………………….. ...90
- Figura 4.57 – Condiciones de borde parte superior del piso……….......91- Figura 4.58 – Condiciones de borde parte inferior del piso………...…...91 - Figura 4.59 – Diagrama de esfuerzos en cara superior del Piso…….....92- Figura 4.60 – Diagrama de esfuerzos en cara inferior del Piso…….......93- Figura 4.61 – Diagrama de esfuerzos con límite superior
300Mpa………………………………………………………………………...93 - Figura 4.62 – Diagrama de esfuerzos con límite superior300Mpa………………………………………………………………………...94
- Figura 4.63 – Diagrama de deformación en Piso………...………………94 - Figura 4.64 – Diagrama de deformación en Piso…………...……………95 - Figura 4.65 – Diagrama en donde se muestra el punto máximo de
esfuerzo………………………………………………………………………..95 - Figura 4.66 – Diagrama de esfuerzos en oreja de pivote (máx.
500Mpa)………………………………………………………………………..96 - Figura 4.67 – Diagrama de esfuerzos en oreja de levante (máx.
300Mpa)………………………………………………………………………..96 - Figura 4.68 – Diagrama de esfuerzos con límite superior de
600Mpa………………………………………………………………………...97 - Figura 4.69 – Acercamiento zona con mayor esfuerzo en diagrama de
esfuerzos con límite superior de 600Mpa…..……………………………...97 - Figura 4.70 – Carguío de camión mediante cargador frontal………….107
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xiii
- Figura 4.71 – Carguío de camión mediante pala eléctrica………….....108- Figura 4.72 – Detalle de medidas importantes de neumáticos………..112
- Figura 4.73 – Situación física para análisis al impacto del Piso de latolva…………………………………………………………………………...114
- Figura 4.74 – Condiciones de borde de zona inferior de la tolva……..115- Figura 4.75 – Condiciones de borde de zona superior de la tolva……115- Figura 4.76 – Esfuerzos de impacto, vista superior de Piso de
tolva…………………………………………………………………………...116 - Figura 4.77 – Esfuerzos de impacto, vista inferior de Piso de
tolva…………………………………………………………………………... 117- Figura 4.78 – Esfuerzos de impacto, en zona de orejas de pivote de
tolva…………………………………………………………………………...117
- Figura 4.79 – Esfuerzos de impacto, en zona de vigas de piso detolva…………………………………………………………………………...118
- Figura 4.80 – Deformación de impacto, vista superior de Piso detolva…………………………………………………………………………...118
- Figura 4.81 – Deformación de impacto, vista inferior de Piso detolva…………………………………………………………………………...119
- Figura A.1 – Esquema de soldadura general …………………Anexo N°1 - Figura A.2 – Proceso SMAW……………………………………Anexo N°1 - Figura A.3 – Elementos de FCAW con gas protector...……… Anexo N°1
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LISTA DE TABLAS
- Tabla 3.1- Espesores de las planchas anti desgaste……………………..32- Tabla 4.1 – Características mecánicas de acero EH-500………………...43- Tabla 4.2 – Características mecánicas del acero Hiten-780……………..44- Tabla 4.3- Resumen de datos de tolva………………………………….….49 - Tabla 4.4- Resumen de volúmenes………………………………………...51- Tabla 4.5- Resumen de datos de volumen KAC……………………….….53 - Tabla 4.6 – Detalle de resultados de estudio volumétrico y de disposición
de carga…………………………………………………………………….….54 - Tabla 4.7- Resumen de resultados obtenidos con un 15% de
sobrecarga…………………………………………………………………………...64
- Tabla 4.8- Resumen de resultados en estado estático obtenidos en Frontde tolva Kom 830……………………………………………………………..70
- Tabla 4.9- Resumen de resultados en estado estático obtenidos enLateral de tolva Kom 830…………………………………………………….77
- Tabla 4.10- Resumen de resultados en estado estático obtenidos en Pisode tolva Kom 830 para el caso N°1 de análisis……………………………88
- Tabla 4.11- Resumen de resultados en estado estático obtenidos en Pisode tolva Kom 830 para el caso N°2 de análisis……………………………99
- Tabla 4.12- Resumen de resultados en estado estático obtenidos paralas distintas partes y casos de una tolva para camión Komatsu 830….100
- Tabla 4.13- Resumen de resultados en estado dinámico obtenidos paralas distintas partes y casos de una tolva para camión Komatsu 830….102
- Tabla 4.14- Factores para la determinación del coeficiente desuperficie……………………………………………………………………..103
- Tabla 4.15- Factores para la determinación del coeficiente de carga…104- Tabla 4.16- Resumen de resultados de ciclos resistidos por el
componente en estado dinámico obtenidos para las distintas partes ycasos de una tolva para camión Komatsu 830…………………………..106
- Tabla 4.17 – Detalle de carrera máxima de suspensión de camión Kom
830……………………………………………………………………….…...111 - Tabla 4.18 – Detalle de neumáticos utilizados por camión Komatsu830…………………………………………………………………………….111
- Tabla 4.19 – Detalle de medidas importantes de neumáticos ………....113- Tabla 4.20- Resumen de resultados en estado de impacto obtenidos en
Piso de tolva Komatsu 830…………………………………………………120
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xv
- Tabla 5.1- Resumen de resultados de índole geométricos de tolva Kom830…………………………………………………………………………….122
- Tabla 5.2- Resumen de resultados de esfuerzos mecánicos de tolva Kom830……………………………………………………………………….…...124
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xvi
SIMBOLOGÍA
Alfabeto latino:
A Factor de amplificación de carga de impacto Adimensional
B.A.W. Body Application Worksheet Adimensional
C.F.D. Computational Fluid Dynamics Adimensional
E.V.W Empty Vehicle Weigth kgFD Fuerza dinámica o de impacto kg
FS Factor de seguridad Adimensional
G.V.W Gross Vehicle Weigth kg
h Altura desde donde cae el cuerpo m
Ka Factor de Superficie Adimensional
Kb Factor de Tamaño Adimensional
Kc Factor de Carga Adimensional
Kd Factor de Temperatura Adimensional
Ke Factor de Efectos diversos Adimensional
M.E.F. Método de Elementos Finitos Adimensional
N N° de ciclos que soporta la pieza para el nivel Ciclos/año
de esfuerzos al que se encuentra sometida
n N° de ciclos a los que esta expuesta la pieza Ciclos/año
Q Calor aportado V*A*s/mm
Ra Reacción en eje delantero de camión kg
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xvii
Rb Reacción en eje trasero de camión kg
Sa Componente alterna del esfuerzo kg/cm
2
S´e Límite de resistencia a la fatiga en viga rotatoria kg/cm2
Se Resistencia a la Fatiga kg/cm2
Smáx Esfuerzo máximo fluctuante kg/cm2
Smin Esfuerzo mínimo fluctuante kg/cm2
Sm Componente media del esfuerzo kg/cm2
Sut Resistencia a la tracción del material kg/cm2
w Peso estático del cuerpo que cae kg
y Desplazamiento producido por el impacto mm
ysuspensión Desplazamiento de la suspensión con camión mm
completamente cargado
ytolva Desplazamiento por deformación de la tolva mm
con camión completamente cargado
ychassiscamión Desplazamiento por deformación del chassis mm
con camión completamente cargado
yneumáticos Desplazamiento por compresión de neumáticos mm
con camión completamente cargado
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1CAPITULO 1 - PLANTEAMIENTO DE LA PROBLEMÁTICA
CAPITULO 1
PLANTEAMIENTO DE LA PROBLEMÁTICA
1.1.- Introducción
Chile ocupa un lugar de avanzada en tolvas para camiones mineros de
gran tonelaje. Existen dos empresas operando en este mercado y se espera
que dentro de poco ingrese un tercer proveedor en el segmento de "tolvas
livianas".
En la actualidad ofrecen tolvas livianas la empresa Conymet, que inició
su actividad fabricando tolvas tradicionales para Chuquicamata y hoy en día
provee de tolvas convencionales a un gran número de empresas mineras desdela Primera a la Región Metropolitana; y la empresa DT Hi-Load, la que en casi
diez años ha colocado más de 360 tolvas livianas en empresas mineras de todo
el mundo, especialmente en Estados Unidos y Canadá.
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2CAPITULO 1 - PLANTEAMIENTO DE LA PROBLEMÁTICA
Genéricamente, una tolva liviana se caracteriza por una estructura de la
caja muy flexible, gracias al empleo de una geometría innovadora y a la
utilización de aceros especiales de gran tolerancia a la flexión, lo que hace
posible una tolva menos pesada.
Este menor peso permite a los camiones de gran tonelaje (240 a 360
toneladas), aceptar más carga útil sin exceder el peso vehicular máximo del
camión debido al mayor tamaño y capacidad de la caja, comparada con una del
tipo convencional.
Hoy en día, prácticamente ningún fabricante trae a Chile camiones con
tolvas. Debido a que en el país existe una variada oferta de este componente;con calidad y con respaldo técnico probado.
Conymet adquirió una fábrica en Australia, donde se fabrica una tolva
con piso de goma en suspensión soportado por cuerdas elastómeras. La tolva
se comercializa bajo la marca Duratray. Este concepto se probó por primera vez
en Chile en la Compañía Minera Doña Inés de Collahuasi. Paralelamente la
empresa fabricó hasta fines de 2009 la tolva liviana TAE (tolva de alta
eficiencia).
Es por lo expuesto anteriormente y siendo la segunda región la capital
minera del mundo y considerando además los adelantos tecnológicos, es que
se busca realizar la verificación de las solicitaciones y características principales
de una tolva para Mina Sur mediante la utilización del método de elementos
finitos. La verificación de las solicitaciones y características principales se debe
a que esta tolva T.A.E. modelo Komatsu 830, inicialmente fue fabricada para
Compañía Minera Doña Inés de Collahuasi, y la diferencia entre las
características del mineral influye en la estructura de la tolva. De esta manera
el problema de las solicitaciones de la tolva se pretende atacar realizando una
modelación de ésta mediante el software Solidworks, para que posteriormente
aplicando el método de elementos finitos mediante el software Cosmosworks,
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3CAPITULO 1 - PLANTEAMIENTO DE LA PROBLEMÁTICA
se pueda obtener las solicitaciones en la tolva y las características principales
como lo son las cargas por ejes, los volúmenes de carga y centros de gravedad.
La utilización de estos softwares ha permitido a los diseñadores realizar
proyectos y diseños más innovadores, los cuáles en tiempos anteriores no eran
ejecutados debidos a las dificultades técnicas de cálculo, facilitando así la
innovación y desarrollo tecnológico de la humanidad.
Asimismo se busca combinar en este trabajo de titulación dos factores
muy importantes debido a las tecnologías disponibles y a las características de
la segunda región, es decir mezclar la utilización de software de diseño por el
método de elementos finitos y el cálculo de una tolva para camión minero,equipo muy importante y crítico para estas faenas mineras. De manera de
mantener y expandir el conocimiento de la minería en el país, hacia el diseño,
mantención y modificación de todo lo que involucra a esta actividad tan
relevante e importante tanto para la ciudad, región y país.
1.2.- Objetivos
1.2.1.- Objetivo general
El objetivo es realizar un estudio de un modelo numérico computacional
mediante relaciones teóricas y empíricas, que se obtienen con datos reales del
comportamiento de una tolva, realizando una validación de los distintos
parámetros entregados por el modelo. Determinando con estos resultados las
modificaciones que se deberán realizar a la tolva para ser utilizada en Mina Sur
y así cumplir con las características y restricciones de esta faena.
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4CAPITULO 1 - PLANTEAMIENTO DE LA PROBLEMÁTICA
1.2.2.- Objetivos específicos
1- Crear una simulación numérica computacional de una tolva existente y
obtener esfuerzos a los cuales es sometida la estructura mediante el uso de
elementos finitos.
2- Obtener estudio analítico de la tolva.
3- Obtener estudio de volumen, características geométricas y cargas
volumétricas, como lo son el BAW documento solicitado por Komatsu, volumen
SAE, Volumen KAC y Volumen real con sus respectivos centros de gravedad ycargas soportadas por cada eje del camión.
4- Obtener análisis de resultados obtenidos analítica y computacionalmente.
1.3.- Justificación del trabajo
El departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de
Antofagasta ha adquirido recientemente software para simulación mecánica confines académicos, es importante tener una noción de cuan confiable pueden ser
los resultados que estos entregan, teniendo en cuenta que dichos programas
son utilizados actualmente a nivel mundial en diseño mecánico como
herramienta de apoyo.
Hay situaciones en las cuales no es posible conocer el comportamiento
de una estructura o un sólido con características geométricas de difícil cálculo,es por ello que se requiere justificar y validar la utilización de estos programas
en el diseño de distintos componentes que también pueden ayudar en la
minería y otra índole de nuestras vidas.
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5CAPITULO 1 - PLANTEAMIENTO DE LA PROBLEMÁTICA
1.4.- Delimitación o alcances
Para la simulación de la tolva se utilizarán las características del mineral
que posee Mina Sur. Estableciendo de este modo los esfuerzos que se
producen en esta tolva fabricada inicialmente para otra compañía minera, como
los esfuerzos estáticos, dinámicos vale decir de carga-descarga de la tolva o de
transporte del mineral y de impacto los cuales son producidos a causa de
carguíos efectuados por palas o cargadores frontales. En este estudio no se
profundizará el caso de fatiga por transporte de mineral, debido a que parapoder realizar este estudio se debe tener acceso a la información entregada por
las suspensiones del camión o a la instalación de estampillas medidoras de
deformación en tolva en operación, situaciones que no son factibles a realizar
por limitantes en el acceso a la información y a la intervención de la tolva en
operación mina.
Este estudio busca sólo determinar si la tolva deberá someterse a
modificaciones en su estructura para poder cumplir con las nuevas
solicitaciones requeridas en la nueva faena minera y no determinará las
modificaciones definitivas a la tolva, ya que estas se obtendrán después de un
largo proceso en el cuál se ve involucrado Komatsu y el cliente.
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6CAPITULO 2 - REVISIÓN BIBLIOGRAFICA
CAPITULO 2
REVISIÓN BIBLIOGRAFICA
2.1.- Historia y evolución del proveedor Conymet
En 1973 nació la Constructora y Metalúrgica Manuel Medel Lepe Ltda.
(Conymet) como una maestranza multipropósito que hacía mantención a
equipos mineros y atendía a Chuquicamata. Además, fabricaba partes y piezas
de maquinarias con licencia de fabricantes extranjeros.
En los años 80, Conymet crece y se fortalece con Codelco. El primer
gran logro para el presidente de la empresa, Manuel Medel Lepe, llegó cuando
en 1984 Conymet lanza al mercado su primera tolva para la gran minería. Sin
embargo, no es sino hasta 1996 que la firma sorprende al mercado al inventar
el concepto de Tolva Liviana de Alta Eficiencia (TAE), desarrollo pionero que
revolucionó lo conocido en explotación minera.
La Tolva de Alta Eficiencia permite optimizar el peso bruto vehicular
máximo del camión, considera requerimientos operacionales de cada mina en
particular y especificaciones técnicas de los fabricantes de camiones. De este
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7CAPITULO 2 - REVISIÓN BIBLIOGRAFICA
modo, se comenzaron a incluir el tipo, tamaño y densidad de cada mineral, así
como también condiciones geológicas, relación entre el tipo de tolva y el equipo
de carguío, y ciclos de la mina, entre otros.
Luego de un proceso de investigación y diseño, los ingenieros
desarrollaron una tolva metálica liviana que se basa en la relación existente
entre capacidad volumétrica y de carga. Requerimientos de orden técnico, tales
como distribución de carga por eje, concepto ergonométrico entre camión y
tolva, así como el de centro de gravedad de la carga, influyeron poderosamente
el concepto de la TAE.
Ingenieros y diseñadores de Conymet incorporaron nuevas tecnologías,
permitiendo a sus clientes reducir costos y mejorar la productividad a la vez.
Como consecuencia de estos esfuerzos, la compañía puso en el mercado el
concepto de una tolva reparable a través de la mantención preventiva y
overhaul.
En este contexto, Conymet detectó la oportunidad de manufacturar
tolvas que permitieran obtener beneficios durante muchos años.
En 2001 Conymet se transforma en industria internacional al comprar la
firma australiana Dunlop Pacific, división Duratray. Así nace Conymet Duratray
International.
A partir de esta nueva estrategia comercial, Conymet comienza a
producir tolvas con piso de goma en suspensión Duratray, desarrollando
operaciones mixtas entre Chile, donde se fabrican las estructuras metálicas, y
Australia, que junto a la planta Duratray Chile en Antofagasta, produce los
componentes de goma que las recubren.
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8CAPITULO 2 - REVISIÓN BIBLIOGRAFICA
La primera tolva CAT 797 modelo Duratray probada en Chile se realizó
para la Minera Escondida Ltda. Y alcanzó un peso de 42 toneladas, la tolva
estuvo a prueba por un periodo de 6 meses, tiempo en el que ambas empresas
monitorearon exitosamente ciertos factores como peso y disponibilidad,
capacidad volumétrica y capacidad de carga o payload.
El modelo también busca satisfacer objetivos de menor costo y tiempo
de mantención, y menor impacto y vibración sobre chasis y cabina. Otro
aspecto no menos relevante es la solución que significa contar con este tipo detolva recubierta en goma, que viene a mejorar el rendimiento frente a la
abrasión de los minerales, comparada con el acero.
Con una planta en Melbourne y con oficinas en Sydney y Perth,
Conymet Duratray consolida su presencia en el mercado Australiano.
Para ese tiempo, la empresa ya contaba con la colaboración profesional
de los hijos del fundador: Marco Medel, Gerente General de Duratray Australia;
Mauricio Medel, Gerente General de Duratray Chile; y Manuel Medel
Echevarría, quien después de 8 años emprendiendo las operaciones de
Conymet Duratray, primero en Estados Unidos y luego en Australia, asumió la
Gerencia General de Conymet en Chile en 2005.
Tres décadas después de su nacimiento, Conymet sigue en manos de
la familia. A principios de 2006 se incorporó a la compañía Matías Medel, cuarto
hijo de Medel Lepe, como Gerente de Operaciones en Santiago.
Así, gracias al empuje y a la perseverancia de Manuel Medel Lepe,
Conymet está presente en 20 países y cuatro continentes (América, Oceanía,
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9CAPITULO 2 - REVISIÓN BIBLIOGRAFICA
Europa y Asia), hoy es una de las 3 compañías más grandes del mundo en la
fabricación de tolvas para camiones de alto tonelaje.
Actualmente Conymet posee la siguiente organización, la cuál se
muestra en la figura 2.1 y 2.2:
Figura 2.1. Visión General Organizacional de la Empresa Conymet
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10CAPITULO 2 - REVISIÓN BIBLIOGRAFICA
Figura 2.2. Estructura Organizacional Conymet La Negra
2.2.- Historia del cliente Mina Sur y de la explotación del Cobre en Chile
La Historia de Codelco comienza con la promulgación de la reforma que
nacionalizó el cobre el 11 de Julio de 1971. La creación de la Corporación
Nacional del Cobre de Chile como se la conoce en la actualidad fue formalizada
por decreto el 1 de Abril de 1976.
Pero la empresa es heredera de una larga historia de vinculación entre
los seres humanos y la minería del cobre que deja en evidencia la riqueza
minera en esta zona de la cordillera de Los Andes, identificada como el principal
depósito de este elemento metálico en el planeta.
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11CAPITULO 2 - REVISIÓN BIBLIOGRAFICA
Existen pruebas sobre la utilización de cobre en la región andina varios
cientos de años antes de Cristo. Las diversas culturas que habitaron la zona
conocieron metalurgias elementales que les permitieron explotar y trabajar el
metal, incluso para producir aleaciones.
En el norte de Chile atacameños y diaguitas conocieron este metal. Y
desde un pasado remoto las comunidades de la zona habían comenzado a
explotar las riquezas de un yacimiento con futuro: Chuquicamata. Las culturas
Tiahuanaco e Inca, que ejercieron fuerte influencia en la región antes de la
llegada de los europeos, utilizaban el bronce, una aleación de gran durezaelaborada a partir de cobre y estaño.
Durante la época de la colonia la explotación de cobre se mantuvo
como una pequeña industria, un hecho que comenzará a cambiar en el siglo
XIX. En 1810, año de la Independencia de Chile, el país registraba una
producción de 19.000 toneladas de cobre.
Entre 1820 y 1900 Chile produjo 2 millones de toneladas de cobre.
Durante un tiempo fue el primer productor y exportador mundial. Sin embargo a
fines del siglo XIX comenzó un periodo de decadencia, debido al gran impacto
del salitre que acaparaba el interés y las inversiones, y al agotamiento de los
yacimientos de alta ley. En 1897 se produjeron apenas 21.000 toneladas.
La situación cambió a comienzos del siglo XX cuando grandes
consorcios internacionales comenzaron a poner la vista en los yacimientos
chilenos, dotados de avances tecnológicos que permitirían la recuperación de
cobre aún cuando estuviera presente en bajas concentraciones.
En 1904 fue iniciada la explotación de EL Teniente por la Braden
Copper CO., que luego fue traspasada a la administración de la Kenecott
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13CAPITULO 2 - REVISIÓN BIBLIOGRAFICA
Este proceso determinó en esa época la transformación del
Departamento del Cobre en una Corporación del Cobre. El Estado asumió un
papel decisivo en la producción y comercialización del cobre.
La participación de 51 por ciento del Estado se concretó en los
yacimientos más importantes y emblemáticos: Chuquicamata, El Teniente y
Salvador, que como resultado de este proceso recibieron inversiones de
importancia. Entre los objetivos de la chilenización también se buscaba refinar
todo el cobre dentro de este país y aumentar la producción hasta un millón de
toneladas.
El escenario de la industria cambió radicalmente en Julio de 1971
cuando el Congreso aprobó por unanimidad el proyecto sobre Nacionalización
de la Gran Minería del Cobre, promulgado en la ley 17.450.
Para concretar este proceso de nacionalización fue necesario modificar
el artículo 10 de la Constitución Política de Estado de Chile, al cual se le agregó
una disposición transitoria en la cual se planteaba que ―por exigirlo el interés
nacional y en ejercicio del derecho soberano e inalienable del Estado de
disponer libremente de sus riquezas y recursos naturales, se nacionalizan y
declaran por tanto incorporadas al pleno y exclusivo dominio de la Nación las
empresas extranjeras que constituyen la gran minería del cobre…‖.
Los bienes y las instalaciones de estas empresas pasaron a ser
propiedad del Estado de Chile, que creó sociedades colectivas para hacerse
cargo de las operaciones, coordinadas por la Corporación del Cobre de aquel
entonces.
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14CAPITULO 2 - REVISIÓN BIBLIOGRAFICA
La nueva normativa facultó al Gobierno chileno para que dispusiera
sobre la organización, explotación y administración de las empresas
nacionalizadas. También determinó que solo podrían enajenarse o constituirse
derechos de explotación sobre concesiones mineras para yacimientos que no
estuvieran en explotación para ese momento, previa autorización por ley.
Como resultado de estas atribuciones fueron dictados los decretos ley
1.349 y 1.350 publicados en 1 de Abril de 1976, que formalizaron la creación de
una empresa minera, la Corporación Nacional del Cobre de Chile, Codelco.
Codelco Chile fue constituida como una empresa del Estado que
agrupaba los yacimientos existentes en una sola Corporación, minera, industrial
y comercial, con personalidad jurídica y patrimonio propio, domiciliada en el
departamento de Santiago.
Su primera misión fue profundizar la transformación administrativa que
implicó darle continuidad a la explotación de los yacimientos nacionalizados,
sus establecimientos, faenas y servicios anexos.
En 2002 fue creada Codelco Norte como resultado de la fusión entre las
divisiones Chuquicamata y Radomiro Tomic.
El complejo de Chuquicamata está ubicado a 1.650 kilómetros al norte
de la capital de Chile, a 2.870 metros sobre el nivel del mar. Cuenta con dos
minas donde el tipo de explotación es a rajo abierto, ―Chuquicamata― y ―Mina
Sur‖. Chuquicamata entró en operaciones en 1910, aunque sus propiedades
mineras también eran conocidas desde hace siglos por culturas prehispánicas.
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15CAPITULO 2 - REVISIÓN BIBLIOGRAFICA
2.3.- Historia de Komatsu (cliente secundario) y su aporte en lo quecorresponde a maquinaria pesada
Se nombra a Komatsu como cliente secundario debido a que el
diseñador de la tolva debe tener presente que no sólo su cliente es la compañía
minera, sino también el proveedor del camión en el cuál se instalará la tolva
diseñada, debido a que son ellos los que en definitiva aprueban el proyecto, la
construcción y su recepción final. Para poder realizar esta aprobación del
proyecto, Komatsu ideó un método de control denominado Body Application
Worksheet más conocido como BAW, el cual contempla mediciones físicas del
proyecto, permitiendo de este modo constatar si el equipo cumple con las
exigencias de Komatsu Latinoamérica. Este control es realizado por Komatsu
para así garantizar en las distintas faenas mineras el correcto funcionamiento
de sus camiones y que las características de estos no se vean disminuidas o
afectadas por el diseño y construcción de la tolva
El origen de Komatsu surgió de la entonces denominada Takeuchi
Mining Industry, una empresa japonesa fundada en 1894 por Meitaro Takeuchi.
El visionario Takeuchi tempranamente percibió que si el negocio fundamentalde Takeuchi Mining Industry era la minería, lo lógico era concentrarse en esa
actividad, desligándose de la fabricación de máquinas para el movimiento de
tierra que la misma TMI llevaba a cabo para apoyar sus operaciones y entregar
a un tercero la responsabilidad de la fabricación de tales máquinas.
Con esa decisión, en Enero de 1917, Takeuchi nos daba la primera
lección sobre la relevancia de la especialización y el outsourcing, al establecer
Komatsu Iron Works. El 13 de mayo de 1921, separó Komatsu Iron Works de su
compañía fundando la que hasta hoy sería Komatsu Ltda.
Bajo un concepto muy similar se desarrolla la historia de Cummins.
La formación de Cummins Engine Corp. el 3 de febrero de 1919, reunió
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16CAPITULO 2 - REVISIÓN BIBLIOGRAFICA
recursos poco comunes. William Glanton W.G. Irwin-un exitoso banquero e
inversionista de Columbus aportó el capital inicial.
El nombre de la nueva compañía viene de Clessie Lyle Cummins, quien
era un mecánico inventor autodidacta. Los Irwins lo contrataron en 1908 para
manejar y mantener sus automóviles, y después lo iniciaron en el negocio como
un mecánico de auto.
Durante la Primera Guerra Mundial, Clessie operó una tienda de
maquinaria que creció gracias a los contratos del gobierno. Por entonces, él
estaba convencido que una tecnología del motor inventada por Rudolph Diesel
en 1890 -aunque aún no probada comercialmente- tenía una gran promesapara su economía de combustible y durabilidad. Para asegurar su entrada al
negocio de motores, Cummins consiguió los derechos de fabricación de un
licenciado holandés llamado Hvid.
De estas dos ideas empresariales con el tiempo se deriva la formación
en el año 1999 de Komatsu Cummins Chile Ltda.
Su capital se constituyó con un 18% por parte de Cummins y un 82%
por parte de Komatsu.
Desde esa fecha se han desarrollado múltiples negocios en las áreas
Mineras, de Construcción, Industrial y Forestal a través de sus distintas filiales.
2.4.- Descripción de la importancia del buen diseño de tolvas para las
compañías mineras
Para poder explicar la importancia que posee este tema en las
compañías mineras se debe comenzar por definir el concepto de diseño.―Shigley [1] expresa que, Diseñar es formular un plan para la satisfacción de
una necesidad específica o resolver un problema. Si el plan propicia la creación
de algo que tiene una realidad física, entonces el producto debe ser funcional,
seguro, confiable, competitivo, útil, que se pueda fabricar y comercializar ‖.
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Es importante que el diseñador sepa identificar la problemática o lo que
el cliente quiere, esto permite que se plantee bien el problema y por ende se
llegue a soluciones reales y satisfactorias. Determinar la solución adecuada o
alternativa satisfactoria depende de la utilización de estrategias de optimización,
para lo cual, se hace necesario desarrollar las siguientes tareas:
- Lluvia de ideas.
- Por medio del análisis y ensayos, simular y predecir el desempeño
de cada alternativa, conservar las alternativas satisfactorias y
desechar las que no lo son.- Elegir la mejor alternativa satisfactoria descubierta, como una
aproximación a la optimización.
- Implementar el diseño.
Ahora que ya se conoce el término diseño, se da paso a la exposición de
las características relevantes que debe poseer una tolva según las compañías
mineras. Principalmente todas éstas influyen y concluyen en una razón principal
―la economía‖. Las principales características en las que se debe centrar el
diseñador son las que a continuación se detallan:
- Menor Peso: Este es una de las más importantes para las
empresas. Cualquier disminución en el peso de la tolva influye en
que el volumen de carga sea mayor y multiplicado por la cantidad
de carreras realizadas por el camión, sumado por la cantidad de
camiones que poseen las mineras implican un aumento de la
producción de la empresa.
- Mayor Durabilidad: Esta característica conlleva a que una mayor
durabilidad del componente implica una menor tasa de reemplazo
o reparación, por ende, un menor costo de mantención y la
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18CAPITULO 2 - REVISIÓN BIBLIOGRAFICA
disminución en los tiempos de detención por reparación a un
mismo costo, generaría mayores producciones para la empresa.
- Menor tiempo de mantención: Esta característica puede o no estar
relacionada con la anterior. Situación que se puede evidenciar
claramente en la tolva Duratray, debido a que su piso de caucho
permite facilitar su reemplazo, optimizando de esta manera los
tiempos de mantención. Puesto que la goma desgastada, sólo se
reemplaza, a diferencia de una tolva completamente metálica que
implicaría torchar las planchas interiores desgastadas yreemplazarlas por nuevas, si las vigas de piso o laterales han
sufrido daños se debe efectuar el mismo procedimiento. El
reemplazo de vigas no se realiza en las tolvas Duratray, ya que el
piso de goma se encuentra en suspensión por medio de Ropes de
fibras elastómeras que impiden que la goma toque las vigas
durante el proceso de carguío de la tolva. Este menor tiempo de
mantención implica menor tiempo de detención del equipo, por
ende una mayor disponibilidad para las actividades de
producción.
Evitar el Carry Back: Para entender claramente el concepto que
conlleva esta característica, se debe conocer la definición de
Carry Back. Es el efecto que se produce cuando materiales muy
finos, a consecuencia de la humedad o bajas temperaturas se
adhieren al cuerpo de la tolva bajando el rendimiento de esta en
alrededor de un 5%. Situación que provoca pérdidas significativas
para la empresa, por disminución del volumen de carga de la tolva
en cada viaje, ver Figura 2.3.
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19CAPITULO 2 - REVISIÓN BIBLIOGRAFICA
Figura 2.3. Carry back en tolva de cuerpo metálico.
Existen otros factores que debe ser considerados por el diseñador de
una tolva, los cuales pueden parecer básicos, pero revisten una gran relevancia
en el correcto funcionamiento del equipo, los que se detallan a continuación:
- Camión en el cuál se montará la tolva: Da al diseñador las
características geométricas que debe poseer la tolva, para no
causar interferencia negativa con el camión.
- Utilidad que dará el cliente (Compañía Minera) a la tolva: Se
refiere a si será utilizada para transportar mineral, escoria, entre
otros. Esto permite al diseñador constatar el tipo de trabajo que
realizará y de este modo determinar la densidad y la abrasión, la
que utilizará para el diseño del equipo.
- Mecanismo de carga que utilizará el cliente: el
conocimiento de este factor permite determinar y calcular el
esfuerzo por impacto que se producirá en el carguío del equipo.
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20CAPITULO 2 - REVISIÓN BIBLIOGRAFICA
2.5.- Definición del Método de Elementos Finitos (M.E.F.) y su importancia
para el diseño
El método se basa en dividir el cuerpo, estructura o dominio (medio
continuo) —sobre el que están definidas ciertas ecuaciones integrales que
caracterizan el comportamiento físico del problema— en una serie de
subdominios, no intersectantes entre sí, denominados elementos finitos. El
conjunto de elementos finitos forma una partición del dominio también
denominada discretización. Dentro de cada elemento se distinguen una serie de
puntos representativos llamados nodos. Dos nodos son adyacentes sipertenecen al mismo elemento finito; además, un nodo sobre la frontera de un
elemento finito puede pertenecer a varios elementos. El conjunto de nodos
considerando sus relaciones de adyacencia se llama malla.
Los cálculos se realizan sobre una malla o discretización creada a partir
del dominio con programas especiales llamados generadores de mallas, en una
etapa previa a los cálculos que se denomina pre-proceso. De acuerdo con estas
relaciones de adyacencia o conectividad se relaciona el valor de un conjunto de
variables incógnitas definidas en cada nodo. El conjunto de relaciones entre el
valor de una determinada variable entre los nodos se puede escribir en forma
de sistema de ecuaciones lineales (o linealizadas). La matriz de dicho sistema
de ecuaciones se llama matriz de rigidez del sistema. El número de ecuaciones
de dicho sistema es proporcional al número de nodos.
Típicamente el método de los elementos finitos se programa
computacionalmente para calcular el campo de desplazamientos y,
posteriormente, a través de relaciones cinemáticas y constitutivas, las
deformaciones y tensiones respectivamente, cuando se trata de un problema de
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21CAPITULO 2 - REVISIÓN BIBLIOGRAFICA
mecánica de sólidos deformables o más generalmente un problema de
mecánica de medios continuos.
El método de los elementos finitos es muy usado debido a su
generalidad y a la facilidad de introducir dominios de cálculo complejos (en dos
o tres dimensiones). Además el método es fácilmente adaptable a problemas de
transmisión de calor, de mecánica de fluidos para calcular campos de
velocidades y presiones (mecánica de fluidos computacional, CFD) o de campo
electromagnético. Dada la imposibilidad práctica de encontrar la solución
analítica de estos problemas, con frecuencia en la práctica ingenieril los
métodos numéricos y, en particular, los elementos finitos, se convierten en unade las pocas alternativas prácticas de cálculo, a modo de ejemplo se muestran
a continuación las Figuras 2.4, 2.5 y 2.6.
Figura 2.4. Modelos de CFD de automóvil de carrera
Una importante propiedad del método es la convergencia; si se
consideran particiones de elementos finitos sucesivamente más finas, la
solución numérica calculada converge rápidamente hacia la solución exacta del
sistema de ecuaciones.
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Figura 2.5. Modelos de CFD de avión de guerra
Cuando se produce la llegada de los primeros ordenadores en la década
de los 50, el cálculo de estructuras se encontraba en un punto en el que los
métodos de cálculo predominantes consistían en técnicas de iteración (métodos
de Cross y Kani) que se realizaban de manera manual y por tanto resultaban
bastante tediosos. El cálculo de una estructura de edificación de varios pisos,
por ejemplo, podía llevar varias semanas, lo cual suponía un coste sustancial
de tiempo, en menoscabo de la posibilidad de invertir éste en la optimización de
la estructura.
La llegada de la computadora permitió el resurgimiento del método de
los desplazamientos ya conocidos en siglos anteriores (Navier, Lagrange,
Cauchy), pero que eran difíciles de aplicar dado que al final conducían a laresolución de enormes sistemas de ecuaciones inabordables desde el punto de
vista manual.
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23CAPITULO 2 - REVISIÓN BIBLIOGRAFICA
El Método de Elementos Finitos (MEF) fue al principio desarrollado en
1943 por R. Courant, quien utilizó el método Ritz de análisis numérico y
minimización de las variables de cálculo para obtener soluciones aproximadas a
un sistema de vibración. Poco después, un documento publicado en 1956 por
M. J. Turner, R. W. Clough, H. C. Martin, y L. J. Topp estableció una definición
más amplia del análisis numérico. El documento se centró en ―la rigidez y
deformación de estructuras complejas‖.
Figura 2.6. Modelos de MEF de buque de carga
En los años 70 se produce un gran crecimiento de la bibliografía, así
como la extensión del método a otros problemas como los no lineales. En esta
década, el MEF estaba limitado a caros ordenadores centrales, generalmente
poseídos por las industrias aeronáuticas, de automoción, de defensa y
nucleares. Se estudian nuevos tipos de elementos y se sientan las bases
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24CAPITULO 2 - REVISIÓN BIBLIOGRAFICA
matemáticas rigurosas del método, que había aparecido antes como técnica de
la ingeniería más que como método numérico de la matemática.
Por último, a partir de la década de los 80, con la generalización de los
ordenadores personales, se extiende el uso de los programas comerciales que
se especializan en los diversos campos, instaurándose el uso de pre y post-
procesadores gráficos que realizan el mallado y la representación gráfica de los
resultados. Se continúa en el estudio de la aplicación del método a nuevos
modelos de comportamiento (plasticidad, fractura, daño continuo, etc.) y en el
análisis de los errores. En la actualidad dentro del campo estructural el MEFcomparte protagonismo con el método matricial, siendo muchos los programas
que mezclan el análisis por ambos métodos debido, sobre todo, a la mayor
necesidad de memoria que requiere el análisis por elementos finitos. Así se ha
dejado la aplicación del MEF para el análisis de elementos continuos tipo losa o
pantalla, mientras que los pórticos siguen todavía discretizándose en barras y
utilizando el método matricial. Y desde el rápido declive en el coste de los
ordenadores y el fenomenal incremento en la potencia de cálculo, el MEF ha
desarrollado una increíble precisión. En la actualidad, los superordenadores son
capaces de dar resultados exactos para todo tipo de parámetros.
El MEF consiste en un modelo informático del material o diseño que es
tensado y analizado para conseguir resultados específicos. Es usado en el
diseño de nuevos productos, y en la mejora de los actuales. Una empresa
capaz de verificar un diseño propuesto será capaz de ajustarse a las
especificaciones del cliente antes de la fabricación ó construcción. Modificando
un producto o estructura existente es utilizado para calificarlo para unas nuevas
condiciones de servicio. En caso de falla estructural, el MEF puede ser usado
para ayudar a determinar el diseño de las modificaciones para ajustarse a las
nuevas condiciones.
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25CAPITULO 2 - REVISIÓN BIBLIOGRAFICA
Hay, generalmente, dos tipos de análisis que son usados en la
industria: modelos en 2D y en 3D. Mientras los modelos en 2D conservan la
simplicidad y permiten que el análisis se realice en un ordenador normal, tiende
a dar resultados menos precisos. El modelado en 3D, sin embargo, produce
resultados más precisos mientras sacrifica la habilidad para funcionar de
manera efectiva en cualquier ordenador, menos en los más rápidos. Con cada
uno de estos esquemas modelados, el programador puede insertar numerosos
algoritmos ó funciones que pueden hacer al sistema comportarse de manera
lineal o no lineal. Los sistemas lineales son menos complejos y normalmente notienen en cuenta deformaciones plásticas. Los sistemas no lineales toman en
cuenta las deformaciones plásticas, y algunos incluso son capaces de testear el
material hasta la fractura.
El MEF es un método numérico de resolución de ecuaciones
diferenciales. Para ello trabaja discretizando la estructura en elementos de
forma variada (pueden ser superficies, volúmenes y barras), que se conectan
entre sí mediante ―nodos‖. La solución ahora es sólo aproximada en función de
los resultados obtenidos para los nodos. El MEF parte del cálculo matricial en el
planteamiento del equilibrio en los nodos mediante un sistema de ecuaciones
resultado de la contribución de los elementos.
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26CAPITULO 3 - MATERIALES Y METODOS
CAPITULO 3
MATERIALES Y METODOS
3.1.- Características y consideraciones importantes en el diseño de una
tolva
Todo diseño posee características importantes o críticas a considerar,
como los son la forma geométrica, cargas entre otras. Es así como, por
ejemplo, la alteración geológica, la resistencia, el índice de abrasión, el efecto
esmerilado, la densidad específica de la roca, el impacto y la humedad
especifica de los minerales son radicalmente distintas en cada una de las
compañías y explotaciones mineras, por lo tanto cada una de las tolvas está
diseñada en virtud de estas características.
La necesidad de la gran industria minera ante factores que afectan el
mercado como lo son la disminución del valor de los distintos metales, se ha
visto en la necesidad de reducir sus costos operacionales, implementando
programas que tienden a desarrollar procesos y procedimientos que minimicen
costos y generen mayor eficiencia, tanto en niveles administrativos como
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27CAPITULO 3 - MATERIALES Y METODOS
operacionales. Es por esta razón que la exigencia en calidad y seguridad de
maquinarias y equipos utilizados en las faenas, reducción de tiempos muertos
en los procesos de extracción y de operación, disponibilidad de servicios
contratados y durabilidad de maquinarias y equipos, juegan el papel crítico en el
sistema.
Por lo anterior, las distintas compañías mineras se han visto en la
necesidad de adecuar su producción a dichos requerimientos, elevando la
productividad de bienes y otorgando mayores garantías.
Estas situaciones obligan a que el diseño de la tolva deba considerar un
gran número de variables o consideraciones para estar al nivel de las
necesidades de los clientes y para poder ser competitiva en el mercado.
Algunas de las consideraciones importantes para el diseño de estos
componentes son:
- Empty Vehicle Weight
- Gross Vehicle Weight
- Volumen de carga real (Payload)
- Forma (Características geométricas)
- Peso propio de la tolva
- Materiales utilizados en la fabricación de la tolva
- B.A.W. (Medición de parámetros para tolvas modelo Komatsu)
- Volumen de carga SAE
- Volumen de carga KAC
- Solicitaciones de carga
- Carga por ejes
- Ubicación del centro de gravedad
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28CAPITULO 3 - MATERIALES Y METODOS
Todas estas características serán definidas y explicadas a continuación,
las cuales constituyen la primera etapa en el diseño de una tolva.
3.1.1.- Empty Vehicle Weight (E.V.W)
El Empty Vehicle Weight es un dato muy importante para el diseñador
y es proporcionado por el fabricante del camión, este consiste en como su
nombre lo indica en el peso del camión considerando:
- Tanque de petróleo completamente lleno
- Tanque hidráulico completamente lleno- Sin considerar al camión cargado, es decir, Payload igual a cero
- Sin considerar la tolva
Este factor junto con el Gross Vehicle Weight constituye el segundo paso
de diseño del Ingeniero.
3.1.2.- Gross Vehicle Weight (G.V.W)
El Gross Vehicle Weight consiste en como su nombre lo indica el peso
bruto del camión, y considera lo siguiente:
- Tanque de petróleo completamente lleno
- Tanque Hidráulico completamente lleno
- Considera el camión cargado
- Considera el peso de la tolva
Es decir este es el peso límite mayor del camión con todos sus
componentes que garantiza el correcto funcionamiento de éste, por lo tanto es
un dato importantísimo para el diseñador, ya que la resta entre el G.V.W y el
E.V.W constituye la suma del peso del payload y de la tolva, por lo tanto son
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29CAPITULO 3 - MATERIALES Y METODOS
inversamente proporcionales, es decir, si se necesita mayor Payload de
transporte implica diseñar una tolva de menor peso y por el contrario una tolva
muy pesada conlleva a un payload reducido.
3.1.3.- Volumen de carga, forma y peso
Las características geométricas casi siempre son las primeras variables
a definir, ya que establecen las directrices del diseño para el ingeniero que
creará y realizará el proyecto.
El volumen de carga va asociado directamente con la forma, ya que la
altura de los laterales y el frontón determinan la cantidad de volumen que podrá
transportar la tolva. El peso de la tolva ayuda a determinar el payload de carga,
esto asociado a la densidad del mineral determina la cantidad de volumen que
se podrá transportar y por ende se obtienen la altura de los laterales y frontón,
el ancho y largo de la tolva.
Otro factor de forma que implica una gran importancia son las críticas
zonas de conexión, vale decir, los diámetros de los alojamientos ya sea, de
pivote o levante, la posición de las orejas de conexión y la ubicación de los
principales componentes de centrado de tolva de los diferentes modelos de
camiones. En el caso de Komatsu este método de centrado lo constituye una
guía centradora, en el caso de Caterpillar esta función la cumplen las consolas
y en el caso de los camiones Liebherr esto se logra con dos guías centradoras.
El peso afecta el diseño, debido a que un mayor peso de la tolva
influye directamente en que el camión gastará más potencia en el transporte
de la tolva que en el del mineral propiamente tal, por lo que si se disminuye el
peso de ésta al mínimo admisible que garantice su correcto funcionamiento
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30CAPITULO 3 - MATERIALES Y METODOS
estructural, se logra una mejor distribución del gasto de potencia. Lo que se
traducirá en mayores beneficios para el usuario del equipo.
3.1.4.- Materiales utilizados en la fabricación de la tolva
Los aceros usados en las fabricaciones y reparaciones de tolvas se
clasifican en dos grandes tipos: estructurales y anti desgaste, siendo los
primeros los usados para mantener la estructura, es decir, vigas, alerones,
entre otros y los segundos corresponden a los aceros con tratamientos
especiales adecuados a procesos donde el desgaste es común.
A continuación se presenta una breve descripción de cada tipo,
destacando los aceros recomendados para las fabricaciones y reparaciones de
tolvas.
Aceros estructurales
Existen dos tipos de aceros estructurales que se usan en la fabricacióny reparación de tolvas: aceros de alta resistencia y baja aleación, y los aceros
tratados térmicamente.
Existen un gran número de aceros de alta resistencia y baja aleación
cubiertos por las normas ASTM bajo varios números. Además de contener
carbono y manganeso, la resistencia de estos aceros se debe a que se usan
como elementos de aleación el niobio, vanadio, cromo, silicio, cobre, níquel y
otros. Estos aceros tienen límites de fluencia tan bajos como 42,000 psi (2,940
kg/cm2) y tan altos como 65,000 psi (4,550 kg/cm2). En este grupo se incluyen
el A572, A36 y A52, los cuales son los más utilizados en fabricaciones y
reparaciones de tolvas.
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31CAPITULO 3 - MATERIALES Y METODOS
Los aceros tratados térmicamente contienen elementos de aleación en
mayor cantidad que los de baja aleación y alta resistencia y además se tratan
térmicamente (por templado y revenido), para obtener aceros tenaces y
resistentes. Se enlistan en las normas ASTM con la designación A514 y tienen
límites de fluencia de 90,000 a 100,000 psi (6,300 a 7,030 kg/cm2).
Los aceros ASTM A514 se someten a tratamiento térmico con
enfriamiento por inmersión en agua o aceite a no menos de 898,9° C, y luego,
templado a no menos de 593° C.
Aceros Anti desgaste
En esta clasificación los aceros son tratados térmicamente y alcanzan
durezas más elevadas que los aceros normales. Para las fabricaciones y
reparaciones de tolvas, en especial para las planchas ubicadas en el interior de
la tolva (en contacto con el material extraído, recibiendo los impactos en el
carguío y el desgaste en la descarga) se recomienda aceros que aseguren una
dureza de 500 HB en toda la plancha, es decir, en toda la superficie y en todo el
espesor.
De esta forma, para la fabricación y reparación de tolvas se utiliza
actualmente el acero anti desgaste NKK JFE-EH500LE, de procedencia
japonesa. Los espesores de las planchas se pueden visualizar en la Tabla 3.1presentada a continuación, dependiendo de los sectores del interior de la tolva:
el interior se divide en: piso central, piso lateral, front y laterales y barras
protectoras. La sección de la visera que está en contacto con el front (se calcula
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32CAPITULO 3 - MATERIALES Y METODOS
un metro desde la unión front – visera) se considera como parte del front, por lo
tanto se le aplican los resultados de esta sección.
Tabla 3.1. Espesores de las planchas anti-desgaste
Tolva
Espesores (mm)
Piso
Central
Piso
Lateral
Front y
Laterales
Barras
Protectoras
830E 20 16 10 32, 38 y 50
793 20 16 10 32, 38 y 50
797 25 20 12 32, 38 y 50
Soldaduras involucradas en la Fabricación y Reparación de Tolvas
Debido a que este trabajo no considera el análisis de la soldadura. El
detalle del tipo de soldadura y los procesos utilizados en la fabricación de las
tolvas se puede ver en el Anexo N°1.
3.1.5.- Body Application Worksheet (B.A.W.).
Este consiste en una metodología de control que utiliza Komatsu para
garantizar la dimensión real de la tolva fabricada comparada con las
dimensiones proyectadas. Esto permite a Komatsu garantizar y asegurar que
las tolvas posean un volumen de carga adecuado a las especificaciones, ya que
esto asegura la correcta distribución de carga por eje. Este factor de distribución
de carga por eje es crítico debido a que una distribución de carga inadecuadapodría causar que el camión perdiera estabilidad en una pendiente de subida de
10%, es decir, podría generar la separación del apoyo producido por el eje
delantero.
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33CAPITULO 3 - MATERIALES Y METODOS
A causa de lo indicado en el párrafo anterior Komatsu ocupa este
método, en el cual se registran las dimensiones principales de la tolva para
generar así el volumen de carga real de ésta, estableciendo de este modo los
centros de masa reales de la tolva y de la carga. Con estos datos se determina
la carga soportada por cada eje del camión.
Este documento también establece que el diseño de la tolva no supera
el G.V.W y por ende garantiza el correcto funcionamiento de sus camiones. El
no contar con un B.A.W aprobado implica a las Compañías Mineras a renunciar
a las garantías de fabricación otorgadas por Komatsu a sus camiones.
En este documento se cuenta con la participación y aprobación de
cuatro entidades, como lo son la Compañía Minera (cliente de la tolva y
camión), Fabricante y/o diseñador de la tolva (proveedor de la tolva), Komatsu
Chile (ente fiscalizador de proyecto tolva y proveedor de camión) y Komatsu
Latinoamérica (Ente Fiscalizador de proyecto y proveedor de garantía a camión
por contemplar B.A.W aprobado), ver anexo N°2.
3.1.6.- Volumen SAE
El volumen SAE, consiste en el tipo de volumen que sigue la norma
SAE 2000-01-2652, la cual establece un volumen de carga de lados lisos y
planos, la parte interior de la caja o tolva. En este caso la contempla con carga
a tope, es decir, como si existiera un bloque dentro de ésta con la forma interior
de la tolva, luego establece en la parte superior de este bloque construir una
pirámide cuya base sea el doble de la altura de ésta, es por tal razón que se
denomina volumen SAE 2:1, así se obtiene un volumen de caras planas para el
diseño, como se observa en las figuras 3.1 y 3.2.
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34CAPITULO 3 - MATERIALES Y METODOS
Este tipo de volúmenes es utilizado solamente como base por Komatsu,
ya que el volumen utilizado por ellos para el diseño de la tolva es el
denominado Volumen KAC que será explicado y definido en el siguiente punto
de este informe.
Figura 3.1. Volumen SAE 2:1 de tolva típica
Figura 3.2. Volumen SAE 2:1 sobre tolva y camión típicos
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35CAPITULO 3 - MATERIALES Y METODOS
3.1.7.- Volumen KAC
El denominado volumen KAC es el utilizado por Komatsu como
volumen de diseño de las tolvas para sus camiones. Este tipo de volumen fue
creado por esta compañía para garantizar y asegurar que en las tolvas de sus
camiones no se producirá derrame, vale decir, si se carga la tolva con el
payload de diseño en el camión, no se producirá pérdida de material
transportado.
Por lo tanto, con la metodología del volumen KAC se obtiene elvolumen de carga, el payload (multiplicando el volumen KAC por la densidad
del material a transportar), centro de gravedad del payload, carga por ejes,
entre otros datos relevantes.
Para construir el volumen KAC se debe comenzar construyendo el
volumen SAE y luego trazar en el lateral una línea paralela a la parte superior
a una distancia de 150 mm efectuando en este lugar el corte del volumen (ver
Figura 3.3). Asimismo se debe trazar una línea paralela al piso a una distancia
de 200mm (ver Figura 3.4). Posteriormente se debe efectuar un corte al
volumen de carga, lo que revela que Komatsu considera 150mm de lateral y
200 mm de piso libres de carga.
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36CAPITULO 3 - MATERIALES Y METODOS
Figura 3.3. Corte para construir volumen KAC
(Vista posterior de volumen SAE)
Figura 3.4. Corte para construir volumen KAC
(Vista lateral de volumen SAE)
150mm
200mm
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37CAPITULO 3 - MATERIALES Y METODOS
3.1.8.- Volumen Real
El volumen real consiste como su nombre lo indica en el volumen de
carga que realmente transportará la tolva. Este considera la densidad aparente,
factor de carga, entre otros factores que de igual modo afectan el transporte de
material.
3.1.9.- Solicitaciones de carga, carga por ejes y centro de gravedad
El cálculo de las solicitaciones de carga es parte común de lo que sesabe debe cumplir el equipo y a su vez, es parte del diario vivir del diseñador,
como lo son los esfuerzos producidos por el peso propio de la tolva y el
payload, es decir, esfuerzos estáticos. Otro tipo de esfuerzo producido en este
tipo de diseño es el esfuerzo de impacto, producido generalmente por el carguío
del equipo, ya sea por palas, cargadores frontales, entre otros. Un último caso
es del esfuerzo dinámico debido a la carga-descarga de la tolva o de transporte
del mineral. En este estudio no se profundizará el caso de fatiga por transporte
de mineral, debido a que para poder realizar este estudio se debe tener acceso
a la información entregada por las suspensiones del camión o a la instalación
de estampillas medidoras de deformación en tolva en operación, situaciones
que no son factibles a realizar por limitantes en el acceso a la información y a la
intervención de la tolva en operación mina. Por tratarse de principios
fundamentales del diseño mecánico y estructural no se profundizará en la
definición de estas situaciones de esfuerzos.
En General para el diseño de toda tolva se debe considerar el cálculo
de la carga por eje. En el caso puntual de Komatsu se debe cumplir con ciertas
tolerancias a valores nominales establecidos en la hoja de control BAW. Lo que
establecen estos valores de carga por eje es que cada uno de los neumáticos
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38CAPITULO 3 - MATERIALES Y METODOS
del camión soporte la misma cantidad de carga cuando el camión esté cargado
con el payload y la tolva, es decir, cuando se cumpla con el G.V.W. Ejemplo de
esto es que el eje trasero del camión posee cuatro neumáticos y el eje
delantero dos, lo que se traduce en un total de seis neumáticos, por ende cada
neumático debe cargar el 16,67% del G.V.W aproximadamente, por lo tanto el
eje delantero que posee dos neumáticos debe soportar el 33,33% del G.V.W y
el eje trasero que posee cuatro neumáticos debe soportar el 66,67% del G.V.W
que son los valores nominales de carga por eje descritos en la hoja de control
BAW.
En lo que al centro de gravedad se refiere, este constituye otro factor
importante ya que su ubicación garantiza la estabilidad del camión con carga y
sin ésta. Debido a que la tolva afecta la estabilidad de éste en ambas
situaciones, inclusive si el camión se encuentra desplazándose por camino
plano, con pendiente positiva máxima de 10%, pendiente negativa máxima de
10%, en montículos o en el acto mismo de tolva arriba, es decir, en la
realización misma de la descarga. Los valores nominales y de tolerancia de los
centros de gravedad de la tolva y del payload, también se encuentran
especificados en el BAW.
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39CAPITULO 3 - MATERIALES Y METODOS
Concluido el análisis y definición de los puntos de mayor relevancia
que debe tener presente el diseñador para llevar a buen término el proyecto,
cumpliendo de igual modo con el objetivo del diseño de la tolva se obtiene el
siguiente diagrama de proceso, el que contemplará varias iteraciones.
Esquema 3.1. Flujo de diseño
Como se visualiza en el esquema a lo que el diseñador debe optar es a
obtener que el peso de la tolva sumado con el payload sean igual a la restaentre el G.V.W y el E.V.W, y que se obtenga el peso del payload lo mayor que
se pueda, esto permitirá sacar mayor rendimiento al camión, mayor carga por
viaje del camión y por ende generar un buen diseño de tolva.
Modelo
Camión
Diseño
Tolva
Peso
Tolva
Volumen
KACPayload
Peso tolva
+
Payload
G.V.W – E.V.W
CumpleOK
NO CUMPLE
< o =
VOLVER A ITERAR
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40CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
CAPITULO 4
DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
En este capítulo se expresa el desarrollo en sí del trabajo que convoca
este trabajo, y demuestra cada una de las etapas seguidas para obtener los
resultados que se expondrán al final de este capítulo convirtiéndose en la base
de la conclusión de este informe. Para ello se cumplen diferentes etapas como
lo son la descripción de características importantes del camión donde se
montará la tolva, la construcción del modelo en Solidworks, los resultados
geométricos o volumétricos obtenidos y además los resultados mecánicos
logrados ya sean por análisis estático, dinámico o de impacto.
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41CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
4.1.- Parámetros y condiciones para el análisis
4.1.1.- Características y datos importantes de camión Komatsu 830
Como es sabido para realizar los análisis volumétricos y de disposición
de carga se debe poseer ciertos datos característicos del camión, datos que se
extraen del catalogo del camión Kom 830E otorgado por Komatsu en su página
de internet www.komatsu.cl (ver anexo número 3), siendo éstos los que se
detallan a continuación, pudiendo ser visualizados en la Figura 4.1:
- G.V.W= 385.558 kg- E.V.W= 134.467 kg
- Distancia entre eje delantero y trasero= 6.350 mm- Distancia entre eje trasero y pivote= 744 mm
Figura 4.1. Medidas generales de camión Komatsu 830E
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42CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
4.1.2.- Características importantes del material a transportar
Como se ha mencionado, es primordial conocer las características del
material a transportar, ya que esto permite conocer cuál finalmente será el
volumen a transportar y la carga que transportará el camión en cada una de las
carreras o viajes a realizar. A continuación se mencionan las características
principales del material a transportar:
- Material a transportar: Mineral de Cobre
- Densidad de material a transportar: 1.8 T/m3
- Angulo de reposo o de estancamiento del mineral: 26,6°
Indicadas las características del material que se transporta y las del
camión, sólo bastaría por señalar los datos y características mecánicas de los
materiales con que se fabricó la estructura de la tolva.
4.1.3.- Características mecánicas de aceros con los que se encuentra fabricadala tolva
Los aceros utilizados en la fabricación de esta tolva corresponden a un
acero resistente al desgaste en la zona interior de la caja, es decir, en sus
planchas bases, el cual consiste en un acero EH-500 de la fábrica Japonesa
JFE Steel Corporation. Este acero corresponde al de tipo estructural tratado
térmicamente para obtener una dureza superior a los 477 BHN y cuyas
características mecánicas se pueden observar en la Tabla 4.1. En el caso del
acero utilizado para la fabricación de las vigas de esta tolva se utilizó acero
Hiten 780 de la misma fábrica, que corresponde a un acero estructural de muy
buenas características mecánicas, las cuales se muestran en la Tabla 4.2. Las
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43CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
tablas de características mecánicas de ambos aceros se obtuvieron de los
catálogos proporcionados por la fábrica y que se muestran en su totalidad en el
anexo N°4 y N°5.
Tabla 4.1. Características mecánicas del acero EH-500
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44CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Tabla 4.2. Características mecánicas del acero Hiten-780
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45CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
4.2.- Construcción de modelo de tolva para camión Komatsu 830 y de sus
volúmenes de carga mediante software Solidworks
Debido a que la tolva ya se encuentra físicamente construida, para la
realización de la construcción del modelo 3D de la tolva se realiza un
levantamiento y mediante las herramientas proporcionadas por el software se
realiza la construcción de la tolva por partes, obteniendo los resultados que se
muestran en las Figuras 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, 4.6 y 4.7.
Figura 4.2. Vista de modelo de front de la tolva.
Figura 4.3. Vista de modelo de lateral de la tolva.
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46CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4.4. Vista de modelo de visera de la tolva.
Figura 4.5. Vista de modelo de piso de la tolva.
Figura 4.6. Vista general 3D modelo de la tolva.
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47CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4.7. Vista general superior modelo de la tolva.
Al modelar la tolva se obtienen datos de gran relevancia para el estudio
volumétrico y de disposición de carga como centro de gravedad de la tolva y
peso de ésta como se observa en la Figura 4.8.
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48CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4.8. Detalle de obtención del centro de gravedad de la tolva.
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49CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Al efectuar modelamiento en solidworks de la tolva se obtuvieron los
datos que se pueden visualizar en Tabla 4.3. que se muestra a continuación.
Tabla 4.3. Resumen de datos de tolva
RESUMEN DE DATOS DE TOLVA
X (mm) Y (mm)
CENTRO DE GRAVEDAD 1781 597
PESO TOTAL DE LA TOLVA 27.680 kg
Posterior a la construcción del modelo de la tolva corresponde la etapa
de construcción de los volúmenes SAE y KAC (estos volúmenes son los que
puede transportar la tolva fabricada, y que no necesariamente serán iguales a
los obtenidos en el estudio volumétrico, ya que estos volúmenes constituirán la
restricción máxima de transporte según características de camión, densidad de
material y peso de la tolva). Para ello se toman en consideración las medidas
generales de la tolva, estableciendo la fabricación del volumen SAE 2:1 que ya
fue definido en el punto 3.2.6 es decir, tolva colmada con una pirámide en su
parte superior con ángulo de 26,6° (Ver Figura 4.9 y 4.10).
Figura 4.9. Vista lateral de volumen SAE.
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50CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4.10. Vista general volumen SAE.
Para la construcción del volumen KAC se realiza la disminución en 150
mm de la altura de los laterales y se acorta el piso en 200mm obteniendo el
siguiente resultado (Figura 4.11 y 4.12).
Figura 4.11. Vista lateral volumen KAC.
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51CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4.12. Vista general volumen KAC.
Los volúmenes SAE y KAC obtenidos se detallan en la Tabla 4.4 que
se muestra a continuación
Tabla 4.4. Resumen de volúmenes
RESUMEN DE VOLUMENES OBTENIDOS
TIPO DE VOLUMEN METROS CUBICOS
VOLUMEN SAE 158
VOLUMEN KAC (Tolva construida) 129,8
Además de los datos mostrados en la Tabla 4.4 es necesario obtener
las coordenadas del centro de gravedad del volumen KAC, las que se muestran
en la Figura 4.13 y se detallan en la Tabla 4.5.
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52CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4.13. Detalle de obtención de coordenadas de centro de gravedad a
partir de pivote del volumen KAC con software solidworks.
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53CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Tabla 4.5. Resumen de datos de volumen KAC.
RESUMEN DE DATOS DE VOLUMEN KAC (tolva fabricada)
X (mm) Y (mm)
CENTRO DE GRAVEDAD 2333 1446
VOLUMEN KAC 129,8 m
PAYLOAD (DENSIDAD 1,8t/m ) 233,64 toneladas
Ahora que se conocen todos los datos relevantes: del camión, mineral a
transportar, aceros con los que se fabricó la tolva, volúmenes SAE y KAC,
centro de gravedad, peso de la tolva y centro de gravedad del volumen KAC
finalmente se cuenta con todos los datos para poder realizar los estudios
volumétricos y de disposición de carga como también, los análisis mecánicos
de la estructura de la tolva, resultados que serán evidenciados en un
subcapítulo posterior.
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54CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
4.3.- Desarrollo y resultado del análisis
4.3.1.- Estudio volumétrico y de disposición de carga
Para el desarrollo del estudio volumétrico y de disposición de carga, se
generó una planilla de cálculo donde se introdujeron los datos mostrados
anteriormente. Los resultados obtenidos se visualizan en la Tabla 4.6.
Tabla 4.6. Detalle de resultados de estudio volumétrico y de disposición de
carga.
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55CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Como se observa en la Tabla 4.6 y obteniéndose de la fórmula 4.1:
G.V.W – Masa del camión – Masa de la tolva = Masa de la carga (4.1)
La masa de la carga a transportar es de 223,4 toneladas (carga máxima
que puede transportar el camión para el peso de la tolva (restricción máxima de
carga)).
El volumen KAC según las características físicas del camión, tolva y
densidad del material (volumen máximo a transportar (restricción máxima devolumen)) se obtiene de la siguiente fórmula 4.2:
Masa de la carga / densidad del mineral = Volumen KAC (4.2)
Por lo tanto el volumen máximo a transportar para el peso de esta tolva
y la densidad del mineral de transporte es de 124 m 3.
Para la distribución de carga por ejes, en primer lugar se obtiene el
centro de gravedad total y luego se realiza un cálculo de las reacciones
generadas por el contacto del eje delantero y del eje trasero con el suelo,
obteniéndose una distribución de carga de 34,9% en el eje delantero y un
65,1% en el eje trasero.
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56CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
4.3.2.- Análisis estático de la tolva
Para la realización del análisis estático de la tolva se procede a cortar el
volumen KAC en varios volúmenes menores, para así poder determinar qué
cantidad de carga es soportada por los laterales, front y piso respectivamente.
Es decir, se obtiene las reacciones provocadas entre el volumen y la pared de
la tolva, para así posteriormente cargar las paredes de la tolva con las fuerzas
obtenidas.
Se realizan los cortes del volumen según se muestra en las Figuras
4.14 vista frontal y 4.15 vista lateral.
Figura 4.14. Vista frontal de corte de volumen KAC para análisis estático.
Como se muestra en la Figura 4.14 se estima que el mineral que se
encuentre sobre los 26,6° (ángulo de estancamiento o de reposo del material)
deslizará a través del mineral que se encuentre bajo los 26,6°, vale decir la
Este volumen
deslizará en esta
dirección
Este volumen
deslizará en esta
dirección
26,6° 26,6°
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57CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
carga generada por el deslizamiento del mineral sobre los 26,6° en este caso
será soportado por los laterales.
Figura 4.15. Vista lateral de corte de volumen KAC para análisis estático.
Como se muestra en la Figura 4.15 se estima que el mineral que seencuentre sobre los 26,6° (ángulo de estancamiento o de reposo del material)
deslizará a través del mineral que se encuentre bajo los 26,6°. Es decir, la
carga generada por el deslizamiento del mineral sobre los 26,6° en este caso
será soportado por el Front de la tolva.
Al realizar los cortes mostrados en las Figuras 4.14 y 4.15 se generan 4
volúmenes independientes que deslizan los unos con los otros, algunos de
estos volúmenes cargan el Front, otro sólo los laterales y otro sólo el piso
logrando así asemejar el comportamiento que tendría un cono de material
granulado al deshacerse a causa del deslizamiento de material.
Este volumen
deslizará en esta
dirección
26,6°
7/25/2019 Memoria Fz
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58CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
En la siguiente Figuras 4.16 se muestra e identifica cada uno de los
volúmenes para así establecer los resultados de las fuerzas que restringen el
movimiento de estos volúmenes.
Figura 4.16. Vista superior de división de volúmenes.
Cargan al Front
Carga al lateral
Volumen N°1
Volumen N°2
Volumen N°2
Volumen N°3
Carga al lateral
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59CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Como se observa en la Figura 4.16 el denominado volumen N°1
(volumen verde) carga solamente al Front. Los volúmenes N° 2 cargan sólo al
lateral (volumen rojo) y el volumen N° 3 (volumen amarillo) que debido a
encontrase siempre debajo de los 26,6° no desliza por lo que solamente carga
el piso de la tolva.
Obtención de fuerzas reactivas generadas por el deslizamiento de
volúmenes.
Los resultados que se obtienen en los programas computacionales demodelación mediante método de elementos finitos dependen de las condiciones
a las que sea sometida el objeto de análisis. Estas son las denominadas
condiciones de borde del modelo y que contemplan puntos como: restricciones,
cargas externas, tipos de contactos, gravedad, entre otras. Es decir, el éxito del
modelo depende de que se igualen las condiciones reales del problema a
simular con las herramientas proporcionadas por el programa. A continuación
se muestran las condiciones del modelo para la obtención de los resultados
deseados.
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60CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Situación física del problema
Como se observa en la Figura 4.17, la situación física del problema
contempla 4 volúmenes que interactúan entre si y que poseen apoyos en el
volumen general en 4 paredes, 2 laterales, un piso y un Front. No se
contemplan cargas externas, sólo la aceleración de gravedad. Se considera una
sobrecarga del 15%, la cual corresponde a la sobrecarga permitida por
Komatsu para este modelo de camión.
Figura 4.17. Situación física del problema.
Objetivos del análisis F.E.M.
- Calcular reacciones entre apoyos y volúmenes
- Calcular áreas de contacto entre volúmenes y apoyos
- Calcular presiones mediante la división de las fuerzas reactivas entre
apoyos, volúmenes y áreas de contacto.
Apoyos
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61CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Condiciones de borde
De igual forma, se considerarán condiciones de contacto entre los
volúmenes siendo estos los siguientes (ver Figura 4.18):
- Entre volumen Verde-Rojo: Contacto sin penetración, esto debido a que estos
dos volúmenes no se penetran pero sus caras deslizan entre sí.
- Entre Rojo-Amarillo: Contacto sin penetración, esto debido a que estos dos
volúmenes no se penetran pero sus caras deslizan entre sí.
- Entre Verde-Amarillo: Contacto sin penetración, esto debido a que estos dos
volúmenes no se penetran pero sus caras deslizan entre sí.
Figura 4.18. Condiciones de borde.
Restricción al
movimiento normal
a la superficie
Aceleración de
gravedad
Densidad de los volúmenes 1,8T/m3
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62CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Resultados del programa
Los resultados de las reacciones obtenidas en los laterales, Front y Piso
se muestran en las Figuras 4.19, 4.20 y 4.21. Además, en la Figura 4.22, se
visualiza la fuerza que se dispersa, la cual aparece debido a la condición de
equilibrio en la que se encuentra el volumen de carga, de igual forma debido al
comportamiento tipo cuña que poseen los volúmenes superiores que tienden a
desplazar el volumen amarillo hacia la parte posterior de la tolva.
Figura 4.19. Carga en front.
En éste cálculo sólo se consideró las resultantes Fy y Fz, debido a lagran magnitud de éstas en comparación con la resultante Fx, la cual se puede
considerar despreciable, dada su baja magnitud. Criterio utilizado en las demás
situaciones.
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63CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4.20. Carga en laterales.
Figura 4.21. Carga en piso.
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64CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4.22. Fuerza dispersa.
A continuación se muestra Tabla 4.7 con el resumen de los resultados
obtenidos:
Tabla 4.7. Resumen de resultados obtenidos con un 15% de sobrecarga.
Fuerza (kg) Área de contacto (m ) Presión(Kgf/ m )
Carga Total
Sobre tolva
233.644
Front 63.005 23,96 2.629,59
Lateral (C/U) 23.413 12,79 1.830,57
Piso 244.230 48,22 5.064,91
Dispersa 37.500
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65CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Análisis estático en Front de tolva Komatsu 830
Con los resultados expuestos en la Tabla 4.7 se procede al análisis del
comportamiento estructural estático de la tolva, comenzando con el análisis del
Front de ésta, situación que se muestra a continuación en la Figura 4.23.
Situación física del problema
Figura 4.23. Situación física para análisis del front de tolva.
Como se observa en la Figura 4.23 la situación física del problema
contempla el Front sometido a una carga, se desprecia la aceleración de
Apoyos fijo en todo
el perímetro
En esta área actúa una fuerza
normal de 63.005kg
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66CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
gravedad, debido a que el peso propio es despreciable comparado con el de la
carga.
Objetivos del análisis
- Obtener diagrama de esfuerzos generados en pared Front de tolva.
- Obtener diagrama de desplazamientos generados en pared Front de
tolva
Condiciones de borde
Figura 4.24. Condiciones de borde.
Apoyos fijo en todo
el perímetro
63.005 kg normal a
La superficie
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67CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Como condiciones de borde se contempla un apoyo de tipo geometría
fija en todo el perímetro, debido a que no analizaremos las uniones soldadas y
también, a las grandes rigideces generadas por los otros componentes de la
tolva. Igualmente se contempla la carga de 63.005kg normal a la superficie de
contacto entre el lateral y el volumen de carga (esta carga se establece en la
Tabla 4.7) lo que se puede visualizar en Figura 4.24.
Resultados del programa
En las figuras 4.25, 4.26, 4.27, 4.28 y 4.29 se muestran los resultadosobtenidos en este análisis.
Figura 4.25. Diagrama de Esfuerzos parte Frontal del Front
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68CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4.26. Diagrama de Esfuerzos parte Posterior del Front
Figura 4.27. Diagrama de Esfuerzos con Límite Superior 700 Mpa
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69CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4.28. Diagrama de Esfuerzos en Plano Paralelo a Front
Figura 4.29. Diagrama de Deformación en Front
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70CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Al revisar los resultados obtenidos por el programa se pueden
determinar los esfuerzos a los que están sometidos las distintas partes del
Front, en este caso puntual se determinaron los esfuerzos máximos producidos
en la plancha base (acero EH 500) y vigas de Front (acero Hiten 780).
Como se puede observar en las figuras 4.25 y 4.26 el esfuerzo máximo
producido en las vigas de Front es de 881Mpa aproximadamente y se produce
en un punto especifico de unión entre las vigas verticales y la viga horizontal
superior, de igual forma se puede observar en la figura 4.27 que el esfuerzo
máximo producido en la plancha base es de alrededor de 700 Mpa, a
continuación se muestra la tabla 4.8 donde se resumen los resultados obtenidos
en el Front.
Tabla 4.8 Resumen de Resultados en Estado Estático Obtenidos en Front deTolva Kom 830
Componente Esfuerzo máximo producido σ0
Vigas de Front 881 Mpa 777 MpaPlancha base de Front 700 Mpa 1297 MpaDesplazamiento
Conjunto Front 45 mm
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71CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Análisis estático en Lateral de tolva Komatsu 830
Con los resultados mostrados en la tabla 4.7 se analiza el
comportamiento estructural estático de la tolva, a continuación se examina el
Lateral de esta.
Situación física del problema
Como se observa en la figura 4.30 la situación física del problema
contempla el Lateral sometido a una carga, se desprecia la aceleración degravedad.
Figura 4.30. Situación Física para Análisis del Lateral de Tolva
Objetivos del análisis
- Obtener diagrama de esfuerzos generados en pared Lateral de tolva.
- Obtener diagrama de desplazamientos generados en pared Lateral de
tolva
En esta área actúa una fuerza
normal de 23.413kg Apoyos fijo
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72CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Condiciones de borde
Como condiciones de borde se contempla un apoyo de tipo geometríafija en las partes indicadas en la figura 4.31 debido a que no se analizarán las
uniones soldadas y asimismo debido a las grandes rigideces generadas por los
demás componentes de la tolva. De esta manera se contempla la carga
distribuida de 23.413kg normal a la superficie de contacto entre el lateral y el
volumen de carga (esta carga se establece en la tabla 4.7).
Figura 4.31. Condiciones de Borde
En las figuras 4.32, 4.33, 4.34, 4.35, 4.36, 4.37, 4.38 y 4.39 se muestran
los resultados obtenidos en este análisis.
Apoyos fijo Simulando
unión con Front, Piso y
Visera
23.413 kg normal a
La superficie
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73CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Resultados del programa
Figura 4.32. Diagrama de Esfuerzos en Cara Exterior de Lateral
Figura 4.33. Diagrama de Esfuerzos en Cara Interior de Lateral
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74CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4.34. Diagrama de Esfuerzos en Componentes Interiores de Viga.
Figura 4.35. Diagrama de Iso-Superficie para Esfuerzos de 270Mpa
7/25/2019 Memoria Fz
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75CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4.36. Diagrama de Iso-Superficie para Esfuerzos de 125Mpa
Figura 4.37. Diagrama de Deformación en Lateral
7/25/2019 Memoria Fz
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76CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4.38. Diagrama de Esfuerzos con Límite Superior 360Mpa
Figura 4.39. Diagrama de Esfuerzos con Límite Superior 250Mpa
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77CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Al revisar los resultados obtenidos por el programa se pueden determinar
los esfuerzos a los que están sometidos las distintas partes del Lateral en este
caso, se determinan los esfuerzos máximos producidos en la plancha base
(acero EH 500) y viga de Lateral (acero Hiten 780).
Como se puede observar en la figura 4.39 el esfuerzo máximo producido
en la viga de Lateral es de alrededor de 250Mpa. El esfuerzo máximo de
449.6Mpa mostrado en las figuras 4.32, 4.33 y 4.34 corresponde como se
especifica en la figura 4.34 al esfuerzo producido en uno de los Gousset
(atiesador) de la viga lateral. De igual modo se puede observar en la figura 4.38
que el esfuerzo máximo producido en la plancha base es de alrededor de
360Mpa, el cual se origina en la unión entre el lateral y el piso de la tolva, a
continuación se muestra la tabla 4.9 con el resumen de los resultados
obtenidos en el Lateral.
Tabla 4.9. Resumen de Resultados en Estado Estático Obtenidos en Lateral de
Tolva Kom 830
Componente Esfuerzo máximo producido σ0
Viga de Lateral 250 Mpa 777 MpaPlancha base de Lateral 360 Mpa 1297 MpaGousset de viga lateral 449.6 Mpa 777 Mpa
DesplazamientoConjunto Lateral 64 mm
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78CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Análisis estático en Piso de tolva Komatsu 830
Con los resultados mostrados en la tabla 4.7 se analizará el
comportamiento estructural estático de la tolva. A continuación se evidencia
análisis del Piso de ésta. Para el caso del piso se realizarán dos análisis uno
considerando apoyo fijo en tres de los cuatro lados del perímetro del piso para
simular la rigidez otorgada por los otros componentes de la tolva y el segundo
únicamente considerando como apoyos fijos las orejas de levante y de pivote,
posteriormente se estudiarán los resultados obtenidos para ambos casos (caso
N°1 con rigidez y caso N°2 sin rigidez).
Caso 1: considerando rigidez en tres de los cuatro lados del perímetro del
piso de la tolva.
Situación física del problema
Figura 4.40. Situación Física Superior para Análisis del Piso de la Tolva
Apoyos fijo
En toda el área del piso actúa una
presión normal de 5.065 kg/m2
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79CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Como se observa en la figura 4.40 la situación física del problema
contempla por la parte superior el piso sometido a una carga de presión, la cual
se muestra en la tabla 4.7, se desprecia la aceleración de gravedad.
Además contempla sujeciones de tipo geometría fija en tres lados del
perímetro del piso de la tolva, los cuales son, lado delantero y ambos laterales
de piso, de igual modo simulan la unión generada entre estos componentes y
el piso de la tolva.
Figura 4.41. Situación Física Inferior para Análisis del Piso de la Tolva
Apoyos fijo En
orejas de Pivote
Apoyos fijo
En orejas de
Levante
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80CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
La posición física más crítica para el piso se produce al realizar la
descarga del material, es decir, cuando se produce el levante de la tolva, por lo
tanto como se observa en la figura 4.41 se contempla una sujeción de
geometría fija en las zonas de pivote y levante.
Objetivos del análisis
- Obtener diagrama de esfuerzos generados en piso de tolva.
- Obtener diagrama de desplazamientos generados en piso de tolva
Condiciones de borde
Como condiciones de borde se contempla un apoyo de tipo geometría
fija en las partes indicadas en la figura 4.42 y 4.43 debido a que no se
analizarán las uniones soldadas y debido a las grandes rigideces generadas
por los demás componentes de la tolva, del mismo modo se contempla una
presión de 5.065kg/m2 normal a la superficie de contacto entre el piso y el
volumen de carga (esta presión se establece en la tabla 4.7).
Figura 4.42. Condiciones de Borde parte Superior del Piso
Apoyos fijos simulan
unión con laterales
En toda el área del piso actúa una
presión normal de 5.065 kg/m2
Apoyo fijo simula
unión con Front
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81CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4.43. Condiciones de Borde parte Inferior del Piso
En las figuras 4.44, 4.45, 4.46, 4.47, 4.48, 4.49, 4.50, 4.51, 4.52, 4.53 y
4.54 se muestran los resultados obtenidos en este análisis.
Apoyos fijos simulan
unión con cilindros de
levante (en 4 orejas)
Apoyos fijos simulan
unión con oreja pivote
camión (en 4 orejas)
7/25/2019 Memoria Fz
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82CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Resultados del programa
Figura 4.44. Diagrama de Esfuerzos en Cara Inferior del Piso
Figura 4.45. Diagrama de Esfuerzos en Cara Superior del Piso
7/25/2019 Memoria Fz
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83CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4.46. Diagrama de Esfuerzos con Límite Superior 300Mpa
Figura 4.47. Diagrama de Esfuerzos con Límite Superior 400Mpa
7/25/2019 Memoria Fz
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84CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4.48. Diagrama de Deformación en Piso
Figura 4.49. Diagrama de Deformación en Piso
7/25/2019 Memoria Fz
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85CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4.50. Diagrama en Donde se Muestra el Punto Máximo de Esfuerzo
Figura 4.51. Diagrama de Esfuerzos en Oreja de Pivote (máx. 300Mpa)
7/25/2019 Memoria Fz
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86CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4.52. Diagrama de Esfuerzos en Oreja de Levante (máx. 100Mpa)
Figura 4.53. Diagrama de Esfuerzos con Límite Superior de 130Mpa
7/25/2019 Memoria Fz
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87CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4.54. Acercamiento Zona con Mayor Esfuerzo en Diagrama deEsfuerzos con Límite Superior de 130Mpa
Al revisar los resultados obtenidos por el programa se logra determinar
los esfuerzos a los que están sometidos las distintas partes del piso en este
caso, se puede determinar los esfuerzos máximos producidos en la plancha
base (acero EH 500), vigas de piso, vigas chasís, orejas de levante y orejas de
pivote (acero Hiten 780).
Como se puede visualizar en las figuras de los resultados obtenidos tras
el análisis MEF realizado con el programa cosmosworks de solidworks se
puede observar por ejemplo en las figuras 4.44 y 4.45 una vista general de los
esfuerzos producidos en la estructura del piso de la tolva para el caso N°1 de
análisis. En estas se observa que el esfuerzo máximo producido en este
análisis es de 1084Mpa, pero al observar la figura 4.50 este esfuerzo se
7/25/2019 Memoria Fz
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88CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
produce en un nodo que se ubica en una punta muy aguda, lo que genera este
sobresfuerzo que no es real, ya que como se dijo se produce en un nodo mal
ubicado, por lo que al realizar sesgos en los análisis se logra establecer los
resultados que se evidencian a continuación. Las siguientes figuras muestran
zonas más específicas en la estructura de piso con las cuales se puede
establecer que las vigas de piso están sometidas a un esfuerzo máximo de
400Mpa como se observa en la figura 4.47; de igual forma, se puede revelar
que se producen alrededor de 300Mpa (esfuerzo Máximo) en la viga chasís en
la zona de pivote y en la oreja de pivote. Finalmente en la figura 4.52 se
muestra 100Mpa como máximo en la viga chasis zona levante y en la oreja delevante. En las figuras 4.53 y 4.54 se muestra que la plancha base de piso está
sometida a un esfuerzo máximo de 130Mpa, finalmente con respecto al
desplazamiento producido en la estructura, esta se grafica en las figuras 4.48 y
4.49 y corresponde a 8mm, estos resultados se resumen en la tabla 4.10 que
se muestra a continuación:
Tabla 4.10. Resumen de Resultados en Estado Estático Obtenidos en Piso deTolva Kom 830 para el Caso N°1 de Análisis.
Componente Esfuerzo máximo producido σ0
Viga de piso 400Mpa 777 MpaViga Chasís 300Mpa (Zona Pivote) 777 MpaOreja de Pivote 300Mpa 777 MpaOreja de Levante 100Mpa 777 MpaPlancha de Piso 130Mpa 1297 Mpa
Desplazamiento
Conjunto Piso (Caso N°1de análisis)
8 mm
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89CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Caso 2: sin considerar rigidez en 3 de los 4 lados del perímetro del piso de
la tolva, debido a la unión con los demás componentes de la tolva.
Situación física del problema
Como se observa en la figura 4.55 la situación física del problema
contempla por la parte superior el piso sometido a una carga de presión, la cual
se muestra en la tabla 4.7, se desprecia la aceleración de gravedad.
Figura 4.55. Situación Física Superior para Análisis del Piso de la Tolva
En toda el área del piso actúa una
presión normal de 5.065 kg/m2
7/25/2019 Memoria Fz
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90CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
La posición física más crítica para el piso se produce al realizar la
descarga del material, es decir, cuando se produce el levante de la tolva, por lo
tanto como se observa en la figura 4.56 se contempla una sujeción de
geometría fija en las zonas de pivote y levante.
Figura 4.56. Situación Física Inferior para Análisis del Piso de la Tolva
Objetivos del análisis
- Obtener diagrama de esfuerzos generados en piso de tolva.
- Obtener diagrama de desplazamientos generados en piso de tolva
Apoyos fijo
En orejas de
Levante
Apoyos fijo En
orejas de Pivote
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91CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Condiciones de borde
Figura 4.57. Condiciones de Borde parte Superior del Piso
Figura 4.58. Condiciones de Borde parte Inferior del Piso
En toda el área del piso actúa una
presión normal de 5.065 kg/m2
Apoyos fijos simulan
unión con cilindros de
levante (en 4 orejas)
Apoyos fijos simulan
unión con oreja pivote
camión (en 4 orejas)
7/25/2019 Memoria Fz
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92CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Como condiciones de borde se contempla un apoyo de tipo geometría
fija en las partes indicadas en la figura 4.58 debido a que no se efectuará
análisis de las uniones soldadas, también se contempla una presión de
5.065kg/m2 normal a la superficie de contacto entre el piso y el volumen de
carga (esta presión se establece en la tabla 4.7).
Resultados del programa
En las figuras 4.59, 4.60, 4.61, 4.62, 4.63, 4.64, 4.65, 4.66, 4.67, 4.68 y
4.69 se muestran los resultados obtenidos en este análisis.
Figura 4.59. Diagrama de Esfuerzos en Cara Superior del Piso
7/25/2019 Memoria Fz
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93CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4.60. Diagrama de Esfuerzos en Cara Inferior del Piso
Figura 4.61. Diagrama de Esfuerzos con Límite Superior 300 Mpa
7/25/2019 Memoria Fz
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94CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4.62. Diagrama de Esfuerzos con Límite Superior 300 Mpa
Figura 4.63. Diagrama de Deformación en Piso
7/25/2019 Memoria Fz
http://slidepdf.com/reader/full/memoria-fz 114/176
95CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4.64. Diagrama de Deformación en Piso
Figura 4.65. Diagrama en Donde se Muestra el Punto Máximo de Esfuerzo
7/25/2019 Memoria Fz
http://slidepdf.com/reader/full/memoria-fz 115/176
96CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4.66. Diagrama de Esfuerzos en Oreja de Pivote (máx. 500Mpa)
Figura 4.67. Diagrama de Esfuerzos en Oreja de Levante (máx. 300Mpa)
7/25/2019 Memoria Fz
http://slidepdf.com/reader/full/memoria-fz 116/176
97CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4.68. Diagrama de Esfuerzos con Límite Superior de 600Mpa
Figura 4.69. Acercamiento Zona con Mayor Esfuerzo en Diagrama deEsfuerzos con Límite Superior de 600Mpa
7/25/2019 Memoria Fz
http://slidepdf.com/reader/full/memoria-fz 117/176
98CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Al revisar los resultados obtenidos por el programa se logra determinar
los esfuerzos a los que están sometidas las distintas partes del piso. En este
caso, se puede determinar los esfuerzos máximos producidos en la plancha
base (acero EH 500), vigas de piso, vigas chasís, orejas de levante y orejas de
pivote (acero Hiten 780).
Como se muestran en las figuras de los resultados obtenidos tras el
análisis MEF realizado con el programa cosmosworks de solidworks se puede
observar por ejemplo en las figuras 4.59 y 4.60 una vista general de los
esfuerzos producidos en la estructura del piso de la tolva para el Caso N°2 de
análisis, en estas se observa que el esfuerzo máximo producido en este análisis
es de 1026Mpa, pero al observar la figura 4.65 este esfuerzo se produce en un
nodo que se ubica en una punta inmensamente aguda, lo que genera este
sobresfuerzo que no es real, ya que como se mencionó anteriormente se
produce en un nodo mal ubicado, por lo que realizando sesgos en los análisis
se pueden establecer los resultados que se señalan a continuación.
Las siguientes figuras muestran zonas más específicas en la estructura
de piso con las que se puede revelar que las vigas de piso están sometidas a
un esfuerzo máximo de 300Mpa, como se observa en la figura 4.62. De igual
forma se logra observar que se producen alrededor de 500Mpa (esfuerzo
Máximo) en la viga chasís en la zona de pivote y en la oreja de pivote.
Finalmente en la figura 4.67 muestra 300Mpa como máximo en la oreja de
levante, de la misma forma en las figuras 4.68 y 4.69 se muestra que la plancha
base de piso está sometida a un esfuerzo máximo de 600Mpa en definitiva, con
respecto al desplazamiento producido en la estructura, esto se grafica
claramente en las figuras 4.63 y 4.64 y corresponde a 27mm, estos resultados
se resumen en la tabla 4.11.
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99CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Tabla 4.11 Resumen de Resultados en Estado Estático Obtenidos en Piso deTolva Kom 830 para el Caso N°2 de Análisis.
Componente Esfuerzo máximo producido σ0
Viga de piso 300Mpa 777 MpaViga Chasís 500Mpa (Zona Pivote) 777 MpaOreja de Pivote 500Mpa 777 MpaOreja de Levante 300Mpa 777 MpaPlancha de Piso 600Mpa 1297 Mpa
DesplazamientoConjunto Piso (Caso N°2de análisis)
27 mm
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100CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Al finalizar el análisis estático de los componentes de la tolva es
conveniente realizar un resumen de los resultados obtenidos, para de este
modo poder realizar un correcto análisis de los resultados y establecer las
conclusiones adecuadas, a continuación se muestra Tabla 4.12, la cual
contiene resumen de los resultados obtenidos.
Tabla 4.12 Resumen de Resultados en Estado Estático Obtenidos para lasDistintas Partes y Casos de una Tolva para Camión Komatsu 830
Componente Esfuerzo máximo producido σ0
FrontVigas de Front 881 Mpa 777 MpaPlancha base de Front 700 Mpa 1297 Mpa
DesplazamientoConjunto Front 45 mmLateralViga de Lateral 250 Mpa 777 MpaPlancha base de Lateral 360 Mpa 1297 MpaGousset de viga lateral 449.6 Mpa 777 Mpa
DesplazamientoConjunto Lateral 64 mmPiso caso N°1
Viga de piso 400Mpa 777 MpaViga Chasís 300Mpa (Zona Pivote) 777 MpaOreja de Pivote 300Mpa 777 MpaOreja de Levante 100Mpa 777 MpaPlancha de Piso 130Mpa 1297 Mpa
DesplazamientoConjunto Piso (Caso N°1 deanálisis)
8 mm
Piso caso N°2Viga de piso 300Mpa 777 MpaViga Chasís 500Mpa (Zona Pivote) 777 MpaOreja de Pivote 500Mpa 777 MpaOreja de Levante 300Mpa 777 MpaPlancha de Piso 600Mpa 1297 Mpa
DesplazamientoConjunto Piso (Caso N°2 deanálisis)
27 mm
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101CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
4.3.3.- Análisis dinámico de la tolva
La mayoría de las fallas que se producen en componentes de máquinas
ocurren debido a la acción de cargas que varían en el tiempo y no por la acción
de cargas estáticas. Normalmente estas fallas se producen con niveles de
esfuerzos que suelen estar bastante por debajo de la resistencia a la fluencia.
Este es el tipo de falla conocida como falla por fatiga.
Para la realización de este análisis se consideró un esfuerzo cíclico que
varía desde un mínimo de esfuerzo que corresponde a la tolva vacía, sin carga,es decir, considera sólo el peso de la tolva y un esfuerzo máximo cuando la
tolva se encuentra cargada y apoyada en las orejas de pivote y de levante.
El presente análisis se ha basado en el Libro Diseño en Ingeniería
Mecánica de Joseph E. Shigley y Charles R. Mischke, fundado en la ecuación
de Marin, la resistencia Se es función de la resistencia a la fatiga del material,
ajustada por una serie de factores (ver ecuación 4.3):
,
éed cbae S k k k k k S
(4.3) Los factores empleados corresponden a:
k a: Factor de superficie
k b: Factor de tamaño
k c: Factor de carga
k d: Factor de temperatura
k e: Factor de efectos diversos
S´e: Límite de resistencia a la fatiga en viga rotatoria.
La teoría indica que se puede considerar el valor del límite de resistencia
a la fatiga (S´e) como 0,5*σu (esfuerzo máximo en tracción), por lo tanto se
podría definir como:
S´e (Hiten 780)= 0,5 * 835 Mpa= 417,5 Mpa (4.4)
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102CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
S´e (Nkk-500)= 0,5*1.449 Mpa= 724,5 Mpa (4.5)
Para los cálculos de fatiga o de carga dinámica se utilizaron las
siguientes ecuaciones 4.6, 4.7 y 4.8, extraídas del Libro Diseño en Ingeniería
Mecánica de Joseph E. Shigley y Charles R. Mischke:
2
minmax S S S a
; Determinación de componente alterna del esfuerzo (4.6)
2
minmax S S S m
; Determinación de componente media del esfuerzo (4.7)
FS S
S
S
S
ut
m
e
a 1 ; Determinación del factor de seguridad a la fatiga, según el
criterio de Goodman (4.8)
En la siguiente tabla 4.13 se muestran los resultados obtenidos, para
ello se utilizan los valores de esfuerzos obtenidos en el análisis estático
anteriormente mostrados:
Tabla 4.13. Resumen de Resultados en Estado Dinámico Obtenidos para lasDistintas Partes y Casos de una Tolva para Camión Komatsu 830
Componente Esfuerzo (Mpa) Factores Esfuerzo(Mpa)
FS
Front Smax Smin Sa Sm Sut ka kb kc kd ke S´e Se
Vigas de Front 881 0 440 440 835 0,75 1 1 1 1 418 314 0,52
Plancha base de Front 700 0 350 350 1449 0,75 1 1 1 1 725 1087 1,77
LateralViga de Lateral 250 0 125 125 835 0,75 1 1 1 1 418 314 1,83
Plancha base deLateral
360 0 180 180 1449 0,75 1 1 1 1 725 1087 3,45
Gousset de viga lateral 450 0 225 225 835 0,75 1 1 1 1 418 314 1,01
Piso caso N°1Viga de piso 400 0 200 200 835 0,75 1 1 1 1 418 314 1,14
Viga Chasís 300 0 150 150 835 0,75 1 1 1 1 418 314 1,52
Oreja de Pivote 300 0 150 150 835 0,75 1 1 1 1 418 314 1,52Oreja de Levante 100 0 50 50 835 0,75 1 1 1 1 418 314 4,56
Plancha de Piso 130 0 65 65 1449 0,75 1 1 1 1 725 1087 9,56
Piso caso N°2Viga de piso 300 0 150 150 835 0,75 1 1 1 1 418 314 1,52
Viga Chasís 500 0 250 250 835 0,75 1 1 1 1 418 314 0,91
Oreja de Pivote 500 0 250 250 835 0,75 1 1 1 1 418 314 0,91
Oreja de Levante 300 0 150 150 835 0,75 1 1 1 1 418 314 1,52
Plancha de Piso 600 0 300 300 1449 0,75 1 1 1 1 725 1087 2,07
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103CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Para la obtención de los factores ka, kb, kc, kd y ke se utilizaron las
siguientes formulas:
k a: Factor de superficie
Tabla 4.14 Factores para la Determinación del Coeficiente de Superficie.
),1(* C LN S ak b
ut a
a
Acabado superficial * Kpsi Mpa b Coeficiente de variación,C
Esmerilado 1.34 1.58 -0.086 0.120
Maquinado o Laminado en frío 2.67 4.45 -0.265 0.058
Laminado en caliente 14.5 56.1 -0.719 0.110
Como sale de forja 39.8 271 -0.995 0.145
(*) Debido a la amplia dispersión en los datos de superficie esmerilada, una
función alterna es ka=0.878LN(1,0.120). Nota Sut en kpsi o Mpa.
k b: Factor de tamañoPara la determinación del factor de tamaño se considera las siguientes
ecuaciones:
Kb: (d/0.3)-0.107=0.879d-0.107 "211.0 d (4.9)
0.859-0.02125d "102 d (4.10)
(d/7.62)-0.107=1.24d-0.107 mmd 5179.2 (4.11)
0.859-0.000837d mmd 25451 (4.12)
Para carga axial no hay efecto de tamaño, por tanto:
Kb=1
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104CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
k c: Factor de carga
Tabla 4.15. Factores para la Determinación del Coeficiente de Carga.
),1( C LN S k ut c
α
Modo de carga kpsi Mpa β C Promedio Kc
Flexión 1 1 0 0 1
Axial 1.23 1.43 -0.078 0.125 0.85
Torsión 0.328 0.258 0.125 0.125 0.59
k d: Factor de temperatura
Para temperatura ambiente (20°C) considerar factor de temperatura
Kd=1.
k e: Factor de efectos diversos
Aunque el factor ke tiene el propósito de tomar en cuenta la reducción en
el límite de resistencia a la fatiga debido a todos los otros efectos, en verdad
significa un recordatorio que estos efectos se deben tomar en cuenta, porque
los valores reales de ke, no siempre están disponibles, por lo que generalmente
se considera de valor 1.
Como diseñadores o fabricantes para un análisis dinámico del
componente no nos basta con saber cuáles son los límites a la fatiga de las
distintas partes del equipo, sino que para un correcto estudio o garantía de éste
debemos saber cuánto tiempo durará el componente funcionando
correctamente sometido a cargas dinámicas. Para determinar este factor se
debe utilizar las siguientes formulas 4.13, 4.14, 4.15 y 4.16, las cuales fueron
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105CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
extraídas del Libro Diseño en Ingeniería Mecánica de Joseph E. Shigley y
Charles R. Mischke:
Según la regla de Palmgren-Miner, se puede definir el daño como una
razón entre los ciclos a los que está expuesta la pieza o componente (n) versus
los ciclos que soporta dicha pieza para el nivel de esfuerzo al que se encuentra
sometida (N).
N
n Daño
(4.13)
Para poder obtener la cantidad de ciclos que soporta la pieza ―N‖ se
empleó la siguiente fórmula 4.14 que proviene de la curva de Wöhler:
Sf =a*Nb (4.14)
Para obtener los factores a y b se utilizan las siguientes formulas 4.15:
345´ ut f S S 610*2log/´log e f S S
b b
ut
f
S
S f )10*2(´
3 e
ut
S
S f a
22*
(4.15)
Debido a que este caso de carga dinámica contempla una combinación
entre un esfuerzo alternativo y uno medio, se hace necesario obtener un
esfuerzo equivalente, que correspondería a un esfuerzo completamente
invertido que genere el mismo daño que la combinación de esfuerzos (sin
esfuerzo medio), para ello se empleo la siguiente fórmula 4.16:
ut
m
a
eq f
S
S
S
S S
1
(4.16)
Se estima que el camión realiza dos ciclos de carga por hora, trabajando
6500 horas al año, por lo tanto, n= 13.000 Ciclos/año. Por lo cual, se obtuvieron
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106CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
los siguientes resultados que se detallan en la tabla 4.16 que se muestra a
continuación:
Tabla 4.16. Resumen de Resultados de Ciclos Resistidos por el Componenteen Estado Dinámico Obtenidos para las Distintas Partes y Casos de una Tolva
para Camión Komatsu 830
Componente S f́
(Mpa) Factores Seq
(Mpa) N Daño/año Vida(años)Front b f a n
Vigas de Front 1180 -0,0912 0,7063 1108 13000 930 6,7841 1916,23 5e-4Plancha base de Front 1794 -0,0345 0,9523 1752 13000 461 5,9e16 2,183e-13 4,6e12LateralViga de Lateral 1180 -0,0912 0,7063 1108 13000 147 4,1e9 3,176e-6 314864Plancha base de Lateral 1794 -0,0345 0,9523 1752 13000 206 8,8e26 1,470e-23 6,8e22Gousset de viga lateral 1180 -0,0912 0,7063 1108 13000 308 1,2e6 0,0105 95Piso caso N°1Viga de piso 1180 -0,0912 0,7063 1108 13000 263 7e6 0,001863 537Viga Chasís 1180 -0,0912 0,7063 1108 13000 183 3,7e8 3,469e-5 28824Oreja de Pivote 1180 -0,0912 0,7063 1108 13000 183 3,7e8 3,469e-5 28824Oreja de Levante 1180 -0,0912 0,7063 1108 13000 53 2,8e14 4,601e-11 2,17e10Plancha de Piso 1794 -0,0345 0,9523 1752 13000 68 7,0e40 1,847e-37 5,41e36Piso caso N°2Viga de piso 1180 -0,0912 0,7063 1108 13000 183 3,7e8 3,469e-5 28824Viga Chasís 1180 -0,0912 0,7063 1108 13000 357 2,5e5 0,0528 19Oreja de Pivote 1180 -0,0912 0,7063 1108 13000 357 2,5e5 0,0528 19Oreja de Levante 1180 -0,0912 0,7063 1108 13000 183 3,7e8 3,469e-5 28824Plancha de Piso 1794 -0,0345 0,9523 1752 13000 378 1,8e19 6,9312e-16 1,44e15
La tabla muestra en la columna vida; la cantidad de años que durará lapieza o componente al ser sometida a estas solicitaciones, una mayor discusiónsobre los resultados obtenidos se realizará en el capítulo 5.
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107CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
4.3.4.- Análisis de impacto de la tolva
En primer lugar se procederá a definir y explicar en qué consiste una
carga de impacto. Son aquellas en las cuales la dirección del movimiento es
coincidente con la dirección en que se produce la carga. Se caracterizan por un
tiempo de aplicación muy breve (instantánea).
Las cargas de impacto en una tolva se generan en la etapa de carguío y
afectan a distintas partes de ésta, dependiendo del tipo y modo de carga
utilizada en la operación minera, esto se explica debido a que principalmente
hay dos maneras de realizar el carguío de una tolva, estas pueden realizarse
mediante cargadores frontales o mediante palas, ya sean hidráulicas oeléctricas. La utilización de cargadores frontales para la realización de la
operación de carguío principalmente afecta la estructura del lateral contrario al
que se realiza el carguío. Esto se debe a la proyección de la carga del balde,
como se puede visualizar en la figura 4.70.
Figura 4.70. Carguío de Camión Mediante Cargador Frontal.
Proyección de material decarga hacia el lateral de la
tolva
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108CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
A diferencia del carguío mediante cargador frontal, cuando se realiza el
carguío de la tolva mediante pala, ya sea hidráulica o eléctrica la carga de
impacto afecta principalmente al piso de la tolva, esto debido a que la descarga
del balde de la pala se realiza principalmente de forma vertical como se muestra
en la figura 4.71.
Figura 4.71. Carguío de Camión Mediante Pala Eléctrica.
Proyección de material de
carga hacia el Piso de la
tolva
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109CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Para realizar el cálculo del esfuerzo generado por la carga de impacto,
en primer lugar se debe obtener la magnitud de la fuerza generada por el
impacto propiamente tal, para ello se utiliza la siguiente ecuación 4.17, la cual
define el trabajo realizado en el impacto:
12
y
hw F D
(4.17)
Donde:
FD: Fuerza dinámica o de impacto
w: Peso estático
h: Altura desde donde cae el cuerpo
y: Desplazamiento producido por el impacto
Para la utilización de esta fórmula se debe tener presente principalmente
el tipo de cargador utilizado por Mina Sur. Según los resultados obtenidos de la
investigación realizada en lo que a este tema puntual refiere, este corresponde
a una pala eléctrica P&H 2800, por lo que de esta manera se logra obtener la
altura de caída del cuerpo, que como se observa en la figura 4.71 es de
aproximadamente 10 metros de altura (lo que considera entre 2 a 3 metros
sobre la altura máxima de la tolva), el peso del cuerpo que impacta se obtendrá
una vez conocido el diámetro máximo permitido de la roca en la entrada del
chancador primario, el cual es de 54‖, dato obtenido según investigación
realizada. Con este valor se obtiene el volumen de la roca. Por ende, como seconoce la densidad, se logra la obtención del peso del cuerpo. Sólo faltaría por
dilucidar el desplazamiento producido por el impacto (y).
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110CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Puesto que es casi imposible saber cuál será el valor de ―y‖ para distintos
tipos de cargas estáticas, se torna más factible calcular un factor ―A‖, que
llamaremos factor de amplificación dinámico y estará definido por la ecuación
4.18:
12
y
h A
(4.18)
Este factor servirá para cualquier valor de ―w‖, pero para un determinado
valor de ―h‖. Para este caso se considerará una altura de descarga de la pala de
10m teniendo en cuenta que la altura del piso de la tolva al suelo es de 4m, se
obtiene un valor de caída h=6m. Sólo faltaría por determinar el valor de ―y‖, para
ello se conoce el desplazamiento que se produce en el camión con una carga
completa, este desplazamiento ―y‖ contempla:
cosneumatiionchassiscamtolva suspensión y y y y y (4.19)
Una vez calculado el valor de Ytolva, el cual, fue obtenido en el cálculo
estático del piso, siendo este de 27mm (ver tabla 4.12) y debido a que no se
conoce el valor de desplazamiento del chasis del camión se presumirá un valor
semejante al de la tolva para este factor.
Para el valor de ysuspensión se considerara que cuando el camión se
encuentre completamente cargado la suspensión recorrerá toda su carrera
permitida, dicho valor se extrae del catalogo del camión (Anexo N°3) como se
visualiza en la siguiente tabla 4.17:
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111CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Tabla 4.17. Detalle de carrera máxima de suspensión de camión Kom 830
Se considera el valor máximo de la carrera de la suspensión delantera,
debido a que en el primer carguío de la tolva todo el impacto es soportado por
la suspensión delantera, lo que se debe a que el centro de gravedad del camión
descargado se encuentra más adelante y de igual forma debido a la inclinación
del chassis del camión, por ende de la tolva. Por lo tanto el valor de y suspensión es
de 335mm. Finalmente sólo queda por determinar el desplazamiento que se
produce a causa de los neumáticos, para ello nuevamente se recurre a los
datos contenidos en el catalogo del camión siendo estos lo que a continuación
se muestran en la tabla 4.18:
Tabla 4.18. Detalle de Neumáticos Utilizados por Camión Komatsu 830
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112CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Como se muestra en la tabla 4.18 el neumático utilizado por el camión
Komatsu 830, es el modelo 40.00R57. Para la obtención de los datos
necesarios para el presente estudio se recurrió al catalogo del modelo
contenido en el anexo N°6, extracto que se puede visualizar para una mayor
comprensión de lo expuesto en figura 4.72.
Figura 4.72. Detalle de Medidas Importantes de Neumáticos
Como se puede observar en la figura 4.72 la medida ―OD‖ corresponde
al diámetro mayor sin carga y la medida ―SLR‖ corresponde al radio con el
neumático cargado en forma estática, estos valores para el modelo en estudio
son los que se destacan en la siguiente tabla 4.19:
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113CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Tabla 4.19. Detalle de Medidas Importantes de Neumáticos
Como se observa en la tabla 4.19 las medidas significativas de los
neumático son OD=3512mm y SLR=1560 mm, por lo tanto el valor de yneumáticos
es de 196 mm.
Una vez obtenidos los datos anteriores se puede calcular el factor de
carga dinámica ―A‖ que será utilizado.
h=6m
mmmmmmmmmm y y y y y neumatiionchassiscamtolva suspención 5851962727335cos
5,221585,0
6212
m
m
y
h A
Obtenido el valor de ―A‖ se procede al cálculo de la carga de impacto
provocada por una roca de 54‖, para ello se presumirá que esta se trata de una
roca esférica con 54‖ de diámetro, es decir 1,37m. Debido a que se conoce la
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114CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
densidad de este mineral, se puede concluir que la roca tiene un peso de 2430
kg, siendo esta la carga estática, por lo tanto la carga dinámica generada al
caer desde 6 metros de altura será de:
FD= A*w= 22,5*2430=54.675 kg
Luego se procede a calcular mediante el software cosmosworks, para
establecer cuáles son los esfuerzos provocados por el carguío de la pala, y por
ende los esfuerzos provocados por el impacto de la roca.
Situación física del problema
Como se observa en la figura 4.73 la situación física del problema
contempla el piso en posición de descanso de la tolva, es decir, apoyada en el
pivote y en el chasis del camión.
Figura 4.73. Situación Física para Análisis al Impacto del Piso de la Tolva
Apoyo de tolva en pivote de
camión
Apoyo de chassis de la tolva
con chassis del camión
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115CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Objetivos del análisis:
- Obtener diagrama de esfuerzos generados en piso.- Obtener diagrama de desplazamientos generados en piso.
Condiciones de borde
Figura 4.74. Condiciones de Borde de Zona Inferior de la Tolva
Figura 4.75. Condiciones de Borde de Zona Superior de la Tolva
Apoyo del tipo geometría fija
Apoyo del tipo geometría fija
54.675 kg normal a
la superficie
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116CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Como condiciones de borde se contempla un apoyo de tipo geometría
fija en las partes indicadas en la figura 4.74 debido a que no se analizara las
uniones soldadas y asimismo debido a las grandes rigideces generadas por los
demás componentes de la tolva, también se contempla la carga de 54.675kg
normal a la superficie de contacto mostrada en la figura 4.75 y que contempla el
impacto generado por la roca al golpear con la tolva.
Resultados del programa
En las figuras 4.76, 4.77, 4.78, 4.79, 4.80 y 4.81 se muestran los
resultados obtenidos en este análisis.
Figura 4.76. Esfuerzos de Impacto, Vista Superior de Piso de Tolva
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117CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4.77. Esfuerzos de Impacto, Vista Inferior de Piso de Tolva
Figura 4.78. Esfuerzos de Impacto, en Zona de Orejas de Pivote de Tolva
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118CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4.79. Esfuerzos de Impacto, en Zona de Vigas de Piso de Tolva
Figura 4.80. Deformación de Impacto, Vista Superior de Piso de Tolva
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119CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Figura 4.81. Deformación de Impacto, Vista Inferior de Piso de Tolva
Al revisar los resultados obtenidos por el programa se puede determinar
los esfuerzos generados por el impacto de las distintas partes del piso. En este
caso, se determinan los esfuerzos máximos producidos en la plancha base
(acero EH 500), vigas de piso, vigas chasís y orejas de pivote (acero Hiten 780).
Como se muestran en las figuras de los resultados obtenidos tras el
análisis MEF realizado con el programa cosmosworks de solidworks se puede
observar por ejemplo en las figuras 4.76 y 4.77 una vista general de los
esfuerzos producidos en la estructura del piso de la tolva para el caso de
impacto, en estas se establece que el esfuerzo máximo producido en el análisis
es de 108Mpa. Las siguientes figuras muestran zonas más específicas en la
estructura de piso con las que se obtiene que las vigas de piso están sometidas
a un esfuerzo máximo de 108Mpa como se visualiza en la figura 4.79, del
mismo modo se observa que se producen alrededor de 36Mpa (esfuerzo
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120CAPITULO 4 - DESARROLLO Y RESULTADOS OBTENIDOS
Máximo) en la viga chasís en la zona delantera, en la oreja de pivote no se
observan valores relevantes (figura 4.78), en las figuras 4.76 y 4.77 se muestra
que la plancha base de piso está sometida a un esfuerzo máximo de 25Mpa.
Finalmente con respecto al desplazamiento producido en la estructura, esta se
grafica en las figuras 4.80 y 4.81 y corresponde a 0,341mm, resultados que son
expresados en tabla 4.20, la cual se muestra a continuación:
Tabla 4.20. Resumen de Resultados en Estado de Impacto Obtenidos en Pisode Tolva Komatsu 830.
Componente Esfuerzo máximo producido σ0
Viga de piso 108Mpa 777 MpaViga Chasís 36Mpa 777 MpaOreja de Pivote 0 Mpa 777 MpaOreja de Levante 0Mpa 777 MpaPlancha de Piso 25Mpa 1297 Mpa
DesplazamientoConjunto Piso 0,341 mm
En el cálculo de impacto realizado no fueron incluidas la totalidad de
pérdidas de energía, siendo éstas la pérdida por calor, por roce, por rebote, porsonido, entre otras. Es decir, se realizó un cálculo de impacto de manera ideal,
debido al desconocimiento de la magnitud de estas pérdidas, lo que permitió
determinar los esfuerzos máximos que se producirían en forma ideal, vale
decir, sin perdidas de energía.
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121CAPITULO 5 - ANÁLISIS DE RESULTADOS
CAPITULO 5
ANÁLISIS DE RESULTADOS
El análisis de resultado del presente estudio se divide en dos partes
principales, la primera contempla un análisis más bien volumétrico o también
denominado geométrico. Debido a que establece el cálculo de volúmenes de
carga, payload (o carga a transportar), centros de gravedad, peso y geometríade la tolva, cargas por ejes (o reacciones), entre otros. La segunda parte del
análisis contempla el ámbito de las características mecánicas del diseño, es
decir, examinar formas geométricas, materiales y métodos de fabricación,
específicamente la verificación de esfuerzos o cargas estáticas, cargas
dinámicas o de fatiga. Para concluir con la cargas de impacto.
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122CAPITULO 5 - ANÁLISIS DE RESULTADOS
5.1.- Análisis geométrico de resultados
Antes de comenzar con el análisis de los resultados obtenidos en elámbito geométrico de este estudio, es conveniente evidenciar resumen de los
resultados obtenidos para la tolva construida y los resultados esperados para
un proyecto adecuado ver Tabla 5.1.
Tabla 5.1. Resumen de Resultados de Índole Geométricos de Tolva Kom 830
Resumen de resultados geométricos del diseñoResultados
Esperados
Resultados
Obtenidos
Volumen SAE 158 m
Volumen KAC 124 m 129,8 m
Payload 233,4 Kg 233,4 Kg
Porcentaje de carga en eje delantero 33,3 % 34,9 %
Porcentaje de carga en eje delantero 66,7 % 65,1 %
Para una mayor claridad en el tema desarrollado se hace necesario
definir que los resultados obtenidos corresponden a volúmenes que puede
transportar la tolva ya fabricada según las dimensiones que posee y por ende,
la carga por ejes obtenida proviene del conocimiento de los centros de
gravedad del volumen de carga y la densidad de 1800 Kg/m 3, que es la
densidad del mineral que explota la empresa minera donde se pretende, opere
la tolva sujeta a análisis.
Como se observa en la tabla 5.1 los resultados obtenidos corresponden
al estudio geométrico realizado. En esta tabla se observan diferencias entre los
resultados obtenidos y los resultados esperados para el diseño de la tolva,
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123CAPITULO 5 - ANÁLISIS DE RESULTADOS
como se puede visualizar en la columna resultados obtenidos se muestra un
valor de volumen KAC o real de 129,8 m3, esto se debe a que la tolva fue
fabricada para ser utilizada con una densidad de mineral de 1720 Kg/m3, y hoy
en día se pretende utilizar en el transporte de mineral de 1800 Kg/m 3 de
densidad, es decir, deberá transportar un volumen de 124 m 3 para respetar el
payload nominal.
Asimismo debido a la diferencia de ambas densidades de minerales, se
produce una carga por eje inadecuada para los estándares de diseño, ya que
se logra una carga por ejes de 34,9 % en el eje delantero del camión y un 65,1
% en el eje trasero del mismo, a diferencia de lo valores óptimos de diseño, que
debieran ser de 33,3% en el eje delantero y un 66,7% en el eje trasero debido a
la cantidad de neumáticos en cada uno de los ejes, situación expuesta
anteriormente.
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124CAPITULO 5 - ANÁLISIS DE RESULTADOS
5.2.- Análisis de esfuerzos mecánicos
Antes de analizar los resultados en el ámbito de esfuerzos mecánicos deeste estudio, es conveniente mostrar un resumen de los resultados obtenidos
para la tolva construida. Situación para lo cual se elaboró Tabla 5.2.
Tabla 5.2. Resumen de Resultados de Esfuerzos Mecánicos de Tolva Kom830
Análisis estático Análisis dinámico Análisis de impacto
Componente Esfuerzoestático FS Duraciónaños FS Esfuerzosimpacto FS
FrontVigas de Front 881 Mpa 0,88 5e-4 0,52Plancha base de Front 700 Mpa 1,85 4,6e12 1,77Desplazamiento del conjunto Front 45 mmLateralViga de Lateral 250 Mpa 3,11 314864 1,83Plancha base de Lateral 360 Mpa 3,60 6,8e22 3,45Gousset de viga lateral 449.6 Mpa 1,73 95 1,01Desplazamiento conjunto Lateral 64 mmPiso caso N°1Viga de piso 400Mpa 1,94 537 1,14Viga Chasís 300Mpa
(Zona Pivote)2,59 28824 1,52
Oreja de Pivote 300Mpa 2,59 28824 1,52
Oreja de Levante 100Mpa 7,77 2,17e10 4,56Plancha de Piso 130Mpa 9,98 5,41e36 9,56Desplazamiento del conjunto Piso(Caso N°1)
8 mm
Piso caso N°2Viga de piso 300Mpa 2,59 28824 1,52 108Mpa 7,19Viga Chasís 500Mpa
(Zona Pivote)1,554 19 0,91 36Mpa 21,58
Oreja de Pivote 500Mpa 1,55 19 0,91 0 MpaOreja de Levante 300Mpa 2,59 28824 1,52 0MpaPlancha de Piso 600Mpa 2,16 1,44e15 2,07 25Mpa 51,88Desplazamiento conjunto Piso (CasoN°2)
27 mm 0,341mm
Es primordial mencionar que los resultados obtenidos y mostrados en la
Tabla 5.2 se obtuvieron del análisis de la tolva ya fabricada, al modelarla por
medio de software y analizarla mediante el método de elementos finitos.
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125CAPITULO 5 - ANÁLISIS DE RESULTADOS
Como se puede observar la Tabla 5.2 se divide en tres ítems principales,
los cuales son el análisis estático, dinámico o fatiga y de impacto. Se
comenzará analizando los resultados obtenidos por el estudio estático del
diseño.
En la primera columna se muestran los esfuerzos máximos
obtenidos tras el análisis estático para las distintas partes de la tolva, en la
segunda columna se muestran los factores de seguridad, los cuales como se
menciona anteriormente dependen del material con que se fabricaron las
distintas partes de la tolva. Como se puede visualizar la columna de factores de
seguridad para el estudio estático muestra que el único componente que posee
un factor de seguridad menor a 1 son las vigas del Front, debido a que los
demás componentes poseen factores de seguridad que varían entre 1,55 y
9,98, los cuales son considerados valores aceptables, es decir, la tolva no
sufrirá deformación plástica permanente a excepción del Front, el cual deberá
ser analizado para obtener una solución que consiga elevar el factor de
seguridad para las vigas de este componente.
Luego se procede al análisis de los resultados obtenidos en el estudio
dinámico, la Tabla 5.2 muestra dos factores importantes para la discusión de
estos resultados como lo son factor de seguridad a la fatiga y años de duración
del componente sometido a la carga dinámica.
Para poder efectuar el siguiente análisis se debe tener presente que la
denominada resistencia a la fatiga nos permite graficar la curva de Goodman
para así establecer cómo se comportará la pieza sometida a las cargas alternasy media. Si la combinación de los esfuerzos alternos y medios a los cuales está
sometida la pieza analizada queda dentro de la curva, significa que la pieza
durará un número infinito de ciclos sin sufrir falla sometido a esa condición de
esfuerzos. Pero como es sabido hoy en día realizar diseños de piezas o
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126CAPITULO 5 - ANÁLISIS DE RESULTADOS
componentes que cumplan con una vida infinita muchas veces se traduce en un
elevado costo. Por ejemplo en el caso de este estudio diseñar una tolva para
vida infinita puede significar diseñar una tolva más pesada, por ende más cara
en su fabricación y en su utilización, ya que una tolva más pesada implica que
se puede cargar menos material en ese camión, lo que conlleva a una pérdida
para la compañía minera.
Una vez expuesto y aclarado lo anterior, se puede establecer que una
tolva con las características mencionadas debiera permanecer operativa dentro
del rango de dos a cinco años, sin tener que recurrir a ningún tipo de
reparación considerable debido a daños en la estructura a causa de las
solicitaciones estáticas, dinámicas u otro tipo de problemas. De ahí deriva la
importancia de la columna denominada duración que se presenta en la tabla
5.2, en esta columna se puede visualizar que el componente de menor
durabilidad serán las vigas del front, las cuales tendrían una duración no mayor
a un año sometidas a esta situación de carga. Resultado esperado tras el
análisis estático efectuado a la tolva, mientras que los demás componentes
tendrían una duración aceptable al ciclo de carga, obteniendo de esta manera
un factor de seguridad considerable para poder absorber los factores diversos
(ke) que pueden afectar la vida a la fatiga del material y que no fueron
considerados en este estudio, por lo tanto se deberá analizar el front de la tolva
para obtener una solución que consiga elevar la duración de las vigas de este
componente.
Finalmente se deben analizar los resultados obtenidos en el impacto
sobre el piso de la tolva y a su vez los factores de seguridad para estas
condiciones; como se observa en la Tabla 5.2 los factores de seguridad en los
componentes del piso de la tolva para la condición de impacto superan el valor
de 7, por lo cual se puede decir, que no se producirá falla a causa del impacto
en el carguío de la tolva.
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127CAPITULO 6 - CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CAPITULO 6
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
6.1.- Conclusiones
Mediante el presente estudio se logra revelar la gran importancia que
implica la realización de un buen diseño, que satisfaga las condiciones y
características proporcionadas y deseadas por el cliente. Además de la
creatividad e inventiva que debe proporcionar el diseñador para poderinterpretar las necesidades ocultas que posea el mandante y de este modo
poder establecer una solución que permita obtener el mayor de los beneficios
del producto diseñado.
En lo que respecta al tema sujeto a análisis, un buen diseño de tolva
implica una durabilidad adecuada para las labores mineras, lo cual se traduce
en el correcto funcionamiento de las distintas partes de esta frente a las
solicitaciones de carga, transporte e impacto presentes en la faena minera parala cual se está diseñando el proyecto. Lo recientemente expuesto tiene que ir
relacionado con características geométricas importantes para el diseño, como
es un peso adecuado de la tolva, ya que a menor peso, mayor payload de carga
y por ende menos viajes del camión para realizar el transporte del mismo
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128CAPITULO 6 - CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
volumen. Lo que además debe ir relacionado estrechamente con las limitantes
de diseño que proporciona el camión para el cual estará diseñada la tolva, los
esfuerzos provocados en esta, durabilidad y factibilidad de fabricación.
En lo que respecta a los objetivos propuestos para la realización del
estudio se puede establecer que se cumplió con todos ellos a cabalidad,
detallándose a continuación:
Creación del modelo en 3D de la tolva para camión Komatsu 830
construida inicialmente para la compañía minera Doña Inés de
Collahuasi, creándose con este modelo una simulación mediante elmétodo de elementos finitos de distintos tipos de análisis, como lo son el
análisis estático, el cual nos da como resultado un correcto
comportamiento del estructura de la tolva, excepto para el componente
Front de la misma, debido a que en este componente no se cumple con
un factor de seguridad adecuado, por lo que se produciría una falla
plástica en este componente para las nuevas solicitaciones a las que se
encontrará en la faena Minera Mina Sur de Codelco, faena a la cuál será
derivada. En lo que respecta al análisis de simulación (MEF) de la
condición de impacto (carguío de la tolva mediante pala eléctrica P&H
2800), se concluye que la tolva tiene un comportamiento adecuado, el
cual no implicaría ningún tipo de problema en la operación en Mina Sur.
Elaboración de estudio analítico de la tolva en lo que respecta a las
solicitaciones dinámicas de esta, se determina que la tolva está sometida
a dos ciclos de carga por hora trabajando 6500 horas al año, lo que da
como resultado un adecuado comportamiento de la tolva a las
solicitaciones dinámicas. Proporcionando una durabilidad de la tolva,
mayor a dos años, exceptuando el front como era de esperarse, debido
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129CAPITULO 6 - CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
a que en este componente no se tiene un buen comportamiento a las
cargas dinámicas produciéndose una durabilidad de este menor a un año
sometido a estas solicitaciones, por ende se deberá realizar una
modificación en esta parte para de esta manera cumplir con las
solicitaciones a las que se encontrará sometida en Mina Sur.
Se efectúa análisis volumétrico, de carga por ejes y centros de gravedad.
En este punto se observa que los resultados obtenidos indican que se
debe realizar una disminución en el tamaño de la tolva, puesto que la
densidad de Mina Sur es superior a la densidad de Collahuasi, por endepara mantener el mismo payload (determinado según modelo de camión
y peso de la tolva) se debe disminuir el volumen de carga. Además de ir
iterando conjuntamente al disminuir el tamaño de la tolva con el centro
de gravedad y la carga por ejes, con el objetivo de determinar un
volumen de carga y tamaño de tolva que permita obtener una carga por
ejes adecuada la cual está dada por el valor de 33,3% en el eje delantero
y un 66,7% en el eje trasero.
Se realiza análisis de resultados obtenidos analítica y
computacionalmente (capitulo 5).
Se logra establecer el análisis de una tolva ya fabricada y los puntos
sujetos a análisis y modificación para de esta forma poder cumplir con las
solicitaciones a las que será sometida la tolva en sus nuevas condiciones de
trabajo.
En conclusión, contar con todos los datos y condiciones para poder
establecer procedimientos para el mejoramiento de esta tolva y de este modo
dar cumplimiento a los objetivos propuestos por Conymet Ltda., en cuanto a
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130CAPITULO 6 - CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
proporcionar productos específicos para cada uno de sus clientes, y a su vez
liderar en ámbito del diseño de estos componentes a nivel mundial.
6.2.- Recomendaciones
Al finalizar el estudio, surge la necesidad de recomendar a la empresa
con el sólo propósito de que se alcancen los objetivos de esta. La modificación
principalmente en la estructura del Front de la tolva que se proporcionará a
Mina Sur, ya sea modificar forma, cantidad de vigas, entre otras, para poder
cumplir con una estructura que permita soportar las solicitaciones mecánicas,
ya sea estáticas (deformación plástica) o dinámicas (falla por fatiga) y garantizar
de esta manera el cumplimiento de una duración mínima de dos años del
componente sin la realización de reparaciones importantes.
En el ámbito de la geometría se deberá diseñar un volumen de carga
adecuado para avalar el payload, establecido como restricción de diseño del
camión. Además de establecer así una distribución de carga por ejes adecuada
para garantizar un correcto funcionamiento del conjunto camión-tolva. Esto
puede implicar una iteración de volúmenes hasta llegar a la forma adecuada, lo
que puede traducirse en cambios en el largo del piso, alto del lateral y/o alto del
front, los cuales conllevarían a cambios menores que no afectarían los
resultados obtenidos en este estudio y a su vez no se efectuarían cambios
radicales en la forma de la tolva sujeta a análisis.
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131
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
Joseph Shigley. Diseño en Ingeniería Mecánica, 6° Edición,
Mc Graw Hill
Enrique Quiroga. Tolva Alta Eficiencia Para Camión Komatsu
630, Conymet, Chile
Jorge Alvear. Chile Nuestro Cobre, 1°Edicion, Editorial Lastra
S.A. Chile Rodrigo Divizzio, Análisis de la Estructura Actual de la Tolva
Duratray y Propuesta de Mejoras a su Diseño, Informe IE-013-
2010-DRT, Cadetech, Chile
www.komatsu.cl
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ANEXO N°1
SOLDADURA Y PROCESOS DE SOLDADURA
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Descripción del proceso de soldadura en general
La soldadura con arco eléctrico, SAC (arc welding en inglés, AW), es un
proceso de soldadura en el cual la unión de las partes se obtiene por fusión
mediante el calor de un arco eléctrico entre un electrodo y el material de trabajo.
Figura A.1 Esquema de una soldadura general
Un proceso de AW general se muestra en la Figura A.1. Un arco
eléctrico es una descarga de corriente eléctrica a través de una separación en
un circuito. Se sostiene por la presencia de una columna de gas térmicamente
ionizada (denominada plasma) a través de la cual fluye la corriente. En un
proceso de AW, el arco eléctrico se inicia al acercar el electrodo a la pieza de
trabajo, después del contacto el electrodo se separa rápidamente de la pieza a
una distancia corta. La energía eléctrica del arco eléctrico así formado produce
temperaturas de 5500°C o mayores, que son lo suficientemente calientes para
fundir cualquier metal. Se forma un pozo de metal fundido, que consiste enmetal(es) base y metal de aporte (si se usa uno), cerca de la punta del
electrodo. En la mayoría de los procesos de soldadura con arco eléctrico, se
agrega un metal de aporte durante la operación para aumentar el volumen y
fortalecer la unión soldada. Conforme el electrodo se mueve a lo largo de la
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unión, el pozo de metal fundido se solidifica de inmediato. El movimiento del
electrodo se consigue ya sea mediante una persona que suelda (soldadura
manual) o por medios mecánicos (soldadura con máquina, soldadura
automática o soldadura robótica). Un aspecto problemático de la soldadura
manual con arco eléctrico es que la calidad de la unión fundida depende de la
habilidad y ética de trabajo del soldador.
Antes de describir los procesos individuales de soldadura con arco
eléctrico, es conveniente examinar algunos de los aspectos técnicos que se
aplican a estos procesos.
Electrodos
Los electrodos que se usan en los procesos de AW se clasifican como
consumibles y no consumibles. A continuación se describen los electrodos
consumibles, ya que son los que se usan en la reparación de tolvas.
Los electrodos consumibles contienen el metal de aporte en la
soldadura con arco eléctrico; están disponibles en dos formas principales:
varillas (también llamados bastones) y alambres. Las varillas para soldadura
normalmente tienen una longitud de 225 a 450 mm y un diámetro de 9.5 mm ó
menos. El problema con las varillas de soldadura consumibles, al menos en las
operaciones de producción, es que deben cambiarse en forma periódica,
reduciendo el tiempo de arco eléctrico del soldador. El alambre para soldadura
consumible tiene la ventaja de que puede alimentarse en forma continua al
pozo de soldadura desde bobinas que contienen alambres en grandescantidades, con esto se evitan las interrupciones frecuentes que ocurren
cuando se usan las varillas para soldadura. Tanto en forma de varilla como de
alambre, el arco eléctrico consume el electrodo durante el proceso de soldadura
y éste se añade a la unión fundida como metal de relleno.
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Principales consideraciones en elección de las soldaduras
Al momento de elegir que electrodos y qué tipo de soldadura se debe
implementar en cada situación, se deben considerar las siguientes variables:
Propiedades mecánicas del metal base: La soldadura debe
superar las propiedades mecánicas del material base.
Composición química del metal base: Considerar en lo
principal el porcentaje de carbono y con ello determinar si se necesita
precalentar y /o realizar un tratamiento de alivio de tensiones.
Tratamientos térmicos del material base: De ser tratado
térmicamente este debe precalentarse y enfriarse según indicaciones del
fabricante.
Especificaciones y condiciones de servicio: La parteestructural siempre está sometida a esfuerzos cíclicos, por lo mismo en los
sectores críticos deben emplearse soldaduras de mayor tenacidad.
Espesor y forma del metal base a soldar: Siempre debe
soldarse generando radios suaves, para evitar las zonas de concentración
de esfuerzos.
Alivio de tensiones: todo proceso de soldadura genera
tensiones y por supuesto las zonas de material no cambiadas ya tienen
tensiones propias del trabajo, por lo tanto si es factible realizar, se
recomienda practicar algún tipo de alivio de tensiones a la pieza soldada.
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Diseños de las uniones (biseles): el buen diseño de los
biseles permite soldaduras de buena calidad.
Corriente, amperes, voltaje, velocidad de depósito: es
fundamental mantener parámetros de los fabricantes de soldaduras, así
los depósitos cumplirán con las características técnicas especificadas, en
función del aporte de soldadura, voltaje y amperaje. Además de la
velocidad de avance a través de la pieza es posible determinar la cantidad
de calor aportado por el arco eléctrico al metal base. Se debe tener
presente que en función del aporte del calor se controla la posible
deformación y tensión que pueda sufrir la pieza así como muchas otras
variables metalúrgicas importantes, lo cual se calcula mediante la
Ecuación 3.1.
(3.1)
Donde
Q: Calor Aportado (V*A*min/Pulg)
Volts y amperes: potencia del arco
Velocidad de avance: pulg. X min.
Posición de las soldaduras: Estas deben ser depositadas
por soldadores calificados en el proceso y posición.
Preparación de limpieza y eliminación de material dañado;
a) oxicorte, este proceso al aplicarlo en materiales tratados térmicamente,
por las temperaturas involucradas es factible que cambien las
avancedevelocidad
amperesvoltsQ
_ _
60**
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características de estos en zonas cercanas al corte. b) torch con
electrodos de grafito, este proceso genera altas temperaturas que llevan a
la fusión del acero y con el aire expulsan el material fundido. El proceso en
sí genera dos tipos de contaminación: la primera es que agrega carbono a
la superficie y la segunda por el enfriamiento brusco induce un tratamiento
térmico no deseado de las superficies. Por lo mismo estas superficies
deben ser esmeriladas a lo menos 1 mm. de espesor, asegurando que las
zonas a soldar estén libres de contaminación
En el caso particular de los aceros de alta resistencia o losinoxidables, la selección de electrodos generalmente está limitada a uno o
dos electrodos diseñados específicamente para dar una composición
química determinada en el metal depositado.
En el caso de los aceros al carbono y de baja aleación, la
selección de electrodos debe basarse, además de la composición química
y resistencia mecánica del metal de soldadura, en otras características delos electrodos. Esto se debe a que para aceros al carbono y de baja
aleación, hay varios tipos diferentes de electrodos que pueden
proporcionar la misma composición química en el metal de soldadura. En
este caso, el electrodo se selecciona para obtener la calidad deseada al
más bajo costo. Esto es, el electrodo a elegir es aquel que permite la más
alta velocidad de soldadura para cada unión en particular.
Debido a las propiedades de los aceros anti desgaste, se sabe que los
electrodos usados en la soldadura de las planchas de 500 HB deberán ser
electrodos de bajo hidrógeno. Por ello, se presenta a continuación una breve
descripción de ellos.
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Electrodos de bajo hidrógeno: Estos electrodos están diseñados para
producir soldaduras de alta calidad en aplicaciones en las cuales el metal base
tiene tendencia al agrietamiento, los espesores a soldar son relativamente
grandes (mayores a 19 mm.) o cuando el metal base tiene un contenido de
aleantes ligeramente mayor al de los aceros dulces. Los electrodos de bajo
hidrógeno están disponibles ya sea con las características de llenado rápido o
solidificación rápida. Electrodos pertenecientes a esta clasificación: E-7018 y E-
7028.
En este Ítem se analizan varios procesos importantes de soldadura con
arco eléctrico que utilizan electrodos consumibles y que se practican en la
reparación de tolvas.
Soldadura metálica con arco protegido SMAW
La soldadura metálica con arco protegido (en inglés shielded metal arc
welding, SMAW), es un proceso de soldadura con arco eléctrico que usa un
electrodo consumible y consiste en una varilla de metal de aporte recubierta con
materiales químicos que proporcionan un fundente y protección. El proceso se
ilustra en la Figura A.2.
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Figura A.2. Proceso SMAW
En ocasiones, el proceso de denomina soldadura de varilla. La varilla
de soldadura normalmente tiene una longitud entre 225 a 450 mm y un
diámetro de 2.5 a 9.5 mm. El metal de aporte usado en la varilla debe ser
compatible con el metal que se va a soldar y, por tanto, la composición debe ser
muy parecida a la del metal base. El recubrimiento consiste en celulosa
pulverizada (polvos de algodón y madera) mezclados con óxidos, carbonatos y
otros ingredientes integrados mediante un aglutinante de silicato. En ocasiones
se incluyen en el recubrimiento polvos metálicos para aumentar la cantidad de
metal de aporte y agregar elementos de aleación. El calor del proceso de
soldadura funde el recubrimiento y proporciona una atmósfera protectora y
escoria para la operación de soldadura. También ayuda a estabilizar el arco
eléctrico y regula la velocidad a la que se funde el electrodo.
Durante la operación, el extremo de metal descubierto de la varilla de
soldadura (que está en la otra punta de la soldadura) se sujeta en un soporte de
electrodos conectado a la fuente de energía. El soporte tiene una manilla
aislada para que lo tome y manipule el soldador. Las corrientes que se usan
regularmente en la SMAW varían entre 30 y 300 A y 15 a 45 V. La selección de
los parámetros de energía adecuados depende de los metales que se van a
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soldar, del tipo y longitud del electrodo, así como de la profundidad de
penetración de la soldadura requerida.
Por lo general, la soldadura metálica con arco protegido se ejecuta en
forma manual y sus aplicaciones comunes incluyen la construcción, instalación
de tuberías, estructuras de maquinaria, construcción de embarcaciones, tiendas
de manufactura y trabajos de reparación. Se prefiere sobre la soldadura con
oxígeno y gas combustible para secciones más gruesas que 4.8 mm debido a
su mayor densidad de energía. El equipo es portátil y de bajo costo, lo que
convierte a la SMAW en el proceso más versátil y de mayor uso entre losprocesos de AW. Los metales base incluyen los aceros, los aceros inoxidables,
los hierros fundidos y ciertas aleaciones no ferrosas. No se usa o se emplea
rara vez en aluminio y sus aleaciones, al igual que en las aleaciones de cobre y
titanio.
La desventaja de la soldadura metálica con arco protegido como
operación de producción proviene del uso de varillas de electrodos
consumibles, porque éstos deben cambiarse en forma periódica a causa del
desgaste. Esto reduce el tiempo de arco eléctrico en este proceso de soldadura.
Otra limitación es el nivel de corriente que puede usarse, porque la longitud del
electrodo varía durante la operación y ésta afecta el calentamiento de la
resistencia del electrodo. Los niveles de corriente deben mantenerse dentro de
un rango seguro o el recubrimiento se sobrecalentará y fundirá prematuramente
cuando se empiece a usar una nueva varilla de soldadura. Algunos de los otros
procesos de soldadura con arco eléctrico superan las limitaciones de la longitud
de la varilla de soldadura en este proceso, usando un electrodo de alambre que
se alimenta en forma continua.
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Selección de la fuente de potencia
Son varios los factores a considerar cuando se selecciona una fuente
de potencia para SMAW:
La selección del tipo de corriente, ca, cc o ambas, dependerá en gran
medida en los tipos de electrodos que se usarán y de los tipos de soldadura que
se realizarán. Para ca, puede usarse una fuente de potencia del tipo de
transformador o de alternador; para cc se dispone de fuentes de transformador-
rectificador o de motor-generador. Si se necesita tanto ca como cc, puedeusarse una fuente monofásica de transformador-rectificador o de alternador-
rectificador. Si no, se necesitarán dos máquinas soldadoras, una para ca y otra
para cc.
Los requerimientos de amperaje dependerán de los tamaños y tipos de
electrodos que se usarán. Si la variedad es amplia, la fuente de potencia debe
ser capaz de suministrar el intervalo de amperaje requerido. El ciclo de trabajo
debe ser suficiente.
También hay que considerar las posiciones en que se soldará. Si se
planea soldar en posición vertical o sobre cabeza, probablemente será
conveniente ajustar la pendiente de la curva volt-ampere. Si es así, la fuente de
potencia deberá incluir esta función. Para esto por lo regular se necesitan
controles tanto del voltaje como de la corriente de salida.
Se requiere una fuente de potencia primaria. Si se dispone de potencia
de línea, deberá averiguarse si es monofásica o trifásica. La fuente de potencia
para soldadura debe estar diseñada para potencia monofásica o trifásica, y
deberá usarse con la potencia para la cual fue diseñada. Si no hay potencia de
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línea disponible, será necesario usar un generador o alternador impulsado por
motor.
Soldadura por arco con núcleo de fundente FCAW
La soldadura por arco con núcleo de fundente (flux cored are welding,
FCAW) es un proceso de soldadura por arco que aprovecha un arco entre un
electrodo continuo de metal de aporte y la poza de soldadura. Este proceso se
emplea con protección de un fundente contenido dentro del electrodo tubular,
con o sin un escudo adicional de gas de procedencia externa, y sin aplicación
de presión.
El electrodo con núcleo de fundente es un electrodo tubular de metal de
aporte compuesto que consiste en una funda metálica y un núcleo con diversos
materiales pulverizados. Durante la soldadura, se produce un manto de escoria
abundante sobre la superficie del cordón de soldadura.
El aspecto que distingue al proceso FCAW de otros procesos de
soldadura por arco es la inclusión de ingredientes fundentes dentro de un
electrodo de alimentación continua. Las notables características de operación
del proceso y las propiedades de la soldadura resultante se pueden atribuir al
empleo de este tipo de electrodo.
El proceso FCAW tiene dos variaciones principales que difieren en su
método de protección del arco y de la poza de soldadura contra la
contaminación por gases atmosféricos (oxígeno y nitrógeno). Una de ellas, la
FCAW con autoprotección, protege el metal fundido mediante la
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descomposición y vaporización del núcleo de fundente en el calor del arco. El
otro tipo, la FCAW con escudo de gas, utiliza un flujo de gas protector además
de la acción del núcleo de fundente. En ambos métodos, el material del núcleo
del electrodo proporciona una cubierta de escoria sustancial que protege el
metal de soldadura durante su solidificación.
Los beneficios de FCAW se obtienen al combinarse tres características
generales:
1. La productividad de la soldadura de alambre continúo.
2. Las cualidades metalúrgicas que pueden derivarse de un fundente.
3. Una escoria que sustenta y moldea el cordón de soldadura.
El proceso FCAW combina características de la soldadura por arco de
metal protegido (SMAW), la soldadura por arco de metal y gas (GMAW) y la
soldadura por arco sumergido (SAW). En la Figura A.3 se muestran los
elementos del proceso FCAW.
Figura A.3. Elementos de FCAW con gas protector
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Las aplicaciones de las dos variantes del proceso FCAW se traslapan,
pero las características específicas de cada una las hacen apropiadas para
diferentes condiciones de operación. El proceso se emplea para soldar aceros
al carbono y de baja aleación, aceros inoxidables y hierros colados. También
sirve para soldar por puntos uniones traslapadas en láminas y placas, así como
para revestimiento y depositación de superficies duras.
El tipo de FCAW que se use dependerá del tipo de electrodos de que se
disponga, los requisitos de propiedades mecánicas de las uniones soldadas y
los diseños de las uniones. En general, el método auto protegido puede usarseen aplicaciones que normalmente se unen mediante soldadura por arco de
metal protegido. El método con escudo de gas puede servir para algunas
aplicaciones que se unen con el proceso de soldadura por arco de metal y gas.
Es preciso comparar las ventajas y desventajas del proceso FCAW con las de
esos otros procesos cuando se evalúa para una aplicación específica.
En muchas aplicaciones, el principal atractivo de la soldadura por arco
con núcleo de fundente, en comparación con la de arco de metal protegido, es
la mayor productividad. Esto generalmente se traduce en costos globales más
bajos por kilogramo de metal depositado en uniones que permiten la soldadura
continua y están fácilmente accesibles para la pistola y el equipo de FCAW. Las
ventajas consisten en tasas de depositación elevadas, factores de operación
altos y mayores eficiencias de depositación (no se desechan "colillas" de
electrodo).
La FCAW tiene amplia aplicación en trabajos de fabricación en taller,
mantenimiento y construcción en terreno. Se ha usado para soldar ensambles
que se ajustan al código de calderas y recipientes de presión de la ASME, a las
reglas del American Bureau of Shipping y a ANSI/AWS D1.1, código de
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soldadura estructural - Acero. La FCAW tiene categoría de proceso
precalificado en ANSI/AWS D 1.1.
Se han usado electrodos de acero inoxidable con núcleo de fundente,
auto protegidos y con escudo de gas, para trabajos de fabricación en general,
recubrimiento, unión de metales disímiles, mantenimiento y reparación.
Las desventajas más importantes, en comparación con el proceso
SMAW, son el mayor costo del equipo, la relativa complejidad de la
configuración y control de éste, y la restricción en cuanto a la distancia deoperación respecto al alimentador del electrodo de alambre. El proceso puede
generar grandes volúmenes de emisiones de soldadura que requieren equipo
de escape apropiado, excepto en aplicaciones en terreno. En comparación con
el proceso GMAW, libre de escoria, la necesidad de eliminar la escoria entre
una pasada y otra representa un costo de mano de obra adicional. Esta
eliminación es necesaria sobre todo en las pasadas de raíz.
Selección del Equipo
Para este tipo de soldadura, existen equipos semiautomáticos y
automáticos. A continuación se presentan breves descripciones de ambos.
Equipo semiautomático
El equipo básico para la soldadura por arco con núcleo de fundente
auto protegida y con escudo de gas es similar. La principal diferencia radica en
el suministro y regulación del gas para el arco en la variante con escudo de gas.
La fuente de potencia recomendada es la de cc de voltaje constante, similar a
las que se usan para soldadura por arco de metal y gas. Esta fuente deberá ser
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capaz de trabajar en el nivel de corriente máximo requerido para la aplicación
específica. La mayor parte de las aplicaciones semiautomáticas usa menos de
500 A. El control de voltaje deberá poderse ajustar en incrementos de un volt o
menos. También se usan fuentes de potencia de cc de corriente constante con
la suficiente capacidad y controles y alimentadores de alambre apropiados, pero
estas aplicaciones son poco comunes.
El propósito del control de alimentación del alambre es suministrar el
electrodo continuo al arco de soldadura con una velocidad constante
previamente establecida. La rapidez de alimentación del electrodo determina elamperaje de soldadura suministrado por una fuente de potencia de voltaje
constante. Si se modifica esta rapidez, la máquina soldadora se ajustará
automáticamente para mantener el voltaje de arco preestablecido. La velocidad
de alimentación del electrodo se puede controlar por medios mecánicos o
electrónicos.
Este proceso requiere rodillos impulsores que no aplanen ni
distorsionen de alguna otra manera el electrodo tubular. Se emplean diversos
rodillos con superficies ranuradas para alimentar el electrodo. Algunos
alimentadores de alambre tienen sólo un par de rodillos impulsores, mientras
que otros cuentan con dos pares en los que por lo menos uno de los rodillos de
cada par está conectado a un motor. Si todos los rodillos están motorizados, el
alambre se podrá alimentar ejerciendo menos presión con los rodillos.
Las pistolas típicas para soldadura semiautomática están diseñadas de
modo que se sostengan cómodamente, sean fáciles de manipular y duren largo
tiempo. Las pistolas establecen un contacto interno con el electrodo a fin de
conducir la corriente de soldadura. La corriente y la alimentación del electrodo
se accionan con un interruptor montado en la pistola.
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Las pistolas soldadoras pueden enfriarse con aire o con agua. Se
prefieren las pistolas enfriadas por aire porque no hay necesidad de un
suministro de agua, pero las enfriadas por agua son más compactas y ligeras, y
requieren menos mantenimiento que las enfriadas por aire. Además, suelen
tener especificaciones de corriente más altas, que pueden llegar a 600 A con
ciclo de trabajo continuo. Las pistolas pueden tener boquillas rectas o curvas. El
ángulo de la boquilla curva puede variar de 40° a 60°.
En algunas aplicaciones, la boquilla curva ofrece mayor flexibilidad yfacilidad de manipulación del electrodo. Algunos electrodos auto protegidos con
núcleo de fundente requieren una extensión de electrodo mínima específica
para proveer una protección adecuada. Las pistolas que usan estos electrodos
generalmente cuentan con tubos guía, provistos de una extensión aislada que
sustenta el electrodo y asegura que se extenderá al menos una distancia
mínima.
Equipo automático
Para este tipo de operación se recomienda una fuente de potencia de
cc (corriente continua) de voltaje constante diseñada para un ciclo de trabajo
del 100 %. El tamaño de la fuente de potencia está determinado por la corriente
que requiere el trabajo por realizar. Como pueden ser necesarios electrodos
grandes, tasas de alimentación de electrodo elevadas y tiempos de soldadura
prolongados, los alimentadores de electrodo por fuerza tienen motores
impulsores de mayor capacidad y componentes para trabajo más pesado que
en equipo similar para operación semiautomática.
Las boquillas pueden diseñarse de modo que formen un escudo lateral
o concéntrico alrededor del electrodo. El escudo lateral permite soldar en
biseles angostos y profundos y minimiza la acumulación de salpicaduras en la
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boquilla. Las unidades de boquilla pueden enfriarse con aire o con agua. En
general, se prefieren las boquillas enfriadas por aire para soldar con corrientes
de hasta 600 A. Si la corriente va a ser mayor, se recomienda usar una boquilla
enfriada por agua. En trabajos de recubrimiento a gran escala, se puede
aumentar la productividad empleando equipo automático oscilante con múltiples
electrodos. Estas instalaciones pueden incluir un manipulador montado sobre
rieles que sostiene una cabeza soldadora oscilante de múltiples electrodos con
alimentadores de electrodo individuales y un rodillo giratorio motorizado también
montado en rieles, además de fuente de potencia, controles electrónicos y
sistema de suministro de electrodo.
Otros equipos que se deberían considerar en este tipo de soldadura son
los extractores de humo y el equipo necesario para la protección con gas en
caso de que sea necesario.
Control del Proceso
La corriente de soldadura es proporcional a la velocidad de
alimentación del electrodo para un electrodo con diámetro, composición y
extensión específicos. Si las demás variables de soldadura se mantienen
constantes para un electrodo de cierto diámetro, la modificación de la corriente
de soldadura tendrá los siguientes efectos preponderantes:
1. Un incremento en la corriente eleva la tasa de depositación del
electrodo.
2. Un aumento en la corriente aumenta la penetración.
3. Una corriente excesiva produce cordones de soldadura
convexos de aspecto deficiente.
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4. Una corriente insuficiente produce transferencia de gota
grande y demasiadas salpicaduras.
5. Una corriente insuficiente puede causar una absorción
excesiva de nitrógeno y también porosidad del metal de soldadura
cuando se suelda con electrodos con núcleo de fundente auto
protegidos.
El voltaje y la longitud del arco están íntimamente relacionados. El
voltaje que indica el medidor de la fuente de potencia es la suma de las caídas
de voltaje en todo el circuito de soldadura. El voltaje del arco puede afectar elaspecto, la integridad y las propiedades de las soldaduras hechas con
electrodos con núcleo de fundente. Un voltaje de arco excesivo (arco
demasiado largo) puede producir demasiadas salpicaduras y cordones de
soldadura anchos y de forma irregular. Si se usan electrodos auto protegidos,
un voltaje de arco excesivamente alto hará que se absorba demasiado
nitrógeno, y si el electrodo es de acero dulce también puede causar porosidad.
Un voltaje de arco insuficiente (arco demasiado corto) produce cordones
angostos y convexos con demasiadas salpicaduras y penetración somera.
El efecto de la extensión del electrodo como factor operativo en FCAW
introduce una nueva variable que debe mantenerse equilibrada con las
condiciones de protección y las variables de soldadura relacionadas. Si todo lo
demás es igual, una extensión excesiva del electrodo produce un arco inestable
con demasiadas salpicaduras. Una extensión muy corta puede producir un arco
demasiado largo a un nivel de voltaje determinado. En el caso de los electrodos
con escudo de gas, puede causar una acumulación de salpicaduras en la
boquilla que tal vez interfiera con el flujo de gas. Una cobertura de gas protector
deficiente puede causar porosidad y oxidación excesiva del metal de soldadura.
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La velocidad de avance influye en la penetración y el perfil del cordón
de soldadura. Si los demás factores permanecen constantes, la penetración a
velocidades de avance bajas es mayor que a velocidades altas. Si la velocidad
de avance es baja y la corriente es elevada, el metal de soldadura puede
sobrecalentarse y producir una soldadura de aspecto áspero que tal vez atrape
escoria mecánicamente, o atravesar de lado a lado el metal base. Si la
velocidad de avance es excesiva, el cordón de soldadura tiende a ser irregular y
acordonada.
Si se emplean electrodos con escudo de gas, la tasa de flujo del gas esuna variable que afecta la calidad de la soldadura. Un flujo insuficiente no
protege bien la pileta de soldadura, y el resultado es una soldadura porosa y
oxidada. Si el flujo es excesivo puede haber turbulencia y mezcla con el aire; el
efecto sobre la calidad de la soldadura será el mismo que el de un flujo
insuficiente.
La tasa de depositación en cualquier proceso de soldadura es el peso
de material depositado en la unidad de tiempo, y depende de variables como el
diámetro, la composición y la extensión del electrodo, y la corriente de
soldadura. Las eficiencias de depositación de los electrodos para FCAW varían
entre el 80 y el 90% si se emplea escudo de gas, y entre el 78 y el 87% si los
electrodos proveen autoprotección. La eficiencia de depositación es la razón
entre el peso de metal soldadura depositado y el peso de electrodo consumido.
El ángulo con que se sostiene el electrodo durante la soldadura
determina la dirección en que la fuerza del arco se aplica a la pileta de metal
fundido. Si las variables de soldadura se ajustan en los niveles correctos para la
aplicación de que se trata, se puede usar la fuerza del arco para contrarrestar
los efectos de la gravedad. En los procesos FCAW y SMAW, la fuerza del arco
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no sólo sirve para dar al cordón de soldadura la forma deseada, sino también
para evitar que la escoria corra por delante del metal de soldadura y quede
atrapada por él.
Al efectuar soldaduras de tope y de filete en la posición plana, la
gravedad tiende a hacer que la pileta de metal fundido corra por delante de la
soldadura. A fin de contrarrestar esto, el electrodo se sostiene angulado
respecto a la vertical, con la punta apuntando hacia la soldadura, es decir, en
dirección opuesta a la dirección de desplazamiento. Este ángulo de
desplazamiento, definido como ángulo de arrastre, se mide a partir de una líneavertical en el plano del eje de la soldadura.
El ángulo de arrastre correcto depende del método de FCAW
empleado, del espesor del metal base y de la posición de soldadura. Si se usa
el método con autoprotección, los ángulos de arrastre deberán ser de la misma
magnitud aproximada que los empleados con electrodos para soldadura por
arco de metal protegido. En las posiciones plana y horizontal, los ángulos de
arrastre variarán entre 20 y 45 grados, aunque se usan ángulos más grandes
para soldar secciones delgadas. Al aumentar el espesor del material, el ángulo
de arrastre se reduce para incrementar la penetración. Cuando se suelda
verticalmente hacia arriba, el ángulo de arrastre deberá ser de 5 a 10 grados.
Con el método de escudo de gas el ángulo de arrastre debe ser
pequeño, habitualmente entre 2 y 15 grados, pero nunca de más de 25 grados.
Si el ángulo es excesivo, se perderá la efectividad del escudo de gas.
Al hacer soldaduras de filete en la posición horizontal la pileta de
soldadura tiende a fluir tanto en la dirección del recorrido como en dirección
perpendicular a ella. A fin de contrarrestar el flujo lateral, el electrodo deberá
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apuntar hacia la placa de abajo cerca de la esquina de la unión. Además de su
ángulo de arrastre, el electrodo deberá tener un ángulo de trabajo de 40 a 50°
respecto al miembro vertical.
En la soldadura vertical hacia arriba, puede usarse un ángulo de ataque
(en la dirección del recorrido) pequeño.
Todo lo anteriormente descrito solo es parte de las decisiones que debe
tomar un diseñador al crear un equipo.
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ANEXO N°2
BODY APPLICATION WORKSHEET (B.A.W.)
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ANEXO N°3
CATALOGO CAMIÓN KOMATSU 830
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ANEXO N°4
FICHA TÉCNICA ACERO ANTI-ABRASIVO
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ANEXO N°5
FICHA TÉCNICA ACERO ESTRUCTURAL
HITEN 780
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ANEXO N°6
Recommended