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Analisis de diseño para la estructura (chasis) y soldadura para un arado de cincel vibratorio (Abril 2018) Contreras Otalora Nelson Javier, Pacheco Reyes Camilo Andrés Universidad Nacional de Colombia - Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Agrícola 

diferentes autores.

The preparation of the soil for the subsequent sowing of some agricultural product, is perhaps one of the most essential steps during the whole process of the crop, because, as J. Camacho mentions, "the tillage of the soil is of great importance since it alters the physical properties and represents a high energy consumption "[1]. Due to this and as an essential exercise in the training as Agricultural Engineers, it was proposed to carry out a didactic exercise in which a document would be elaborated to demonstrate the analysis about the design factors for the chassis type ACV-3 of the company kubota, the exemplary used for the respective analysis is located in the Marengo farm of the National University of Colombia.

I. INTRODUCCIÓN

II. MATERIALES Y MÉTODOS La toma de datos y medidas de la estructura del arado de cincel vibratorio se realizó en la finca Marengo, ubicada en el municipio de Mosquera (Cundinamarca, Colombia) de propiedad de la Universidad Nacional de Colombia. Para ello se utilizó elementos simples de medida (metro). Posteriormente con ayuda del programa AutoCAD 2015 se realizó un modelado 3D y 2D del chasis tipo ACV-3 de la empresa Kubota, estos se muestran en las figuras 1, 2 y 3, las medidas están dadas en centímetros (cm).

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e acuerdo a Camacho y Rodríguez la labranza primaria es de vital importancia debido a que la remoción de suelo es alta y además afecta en gran medida las propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo [1]. De acuerdo a lo anterior son muy variadas las ofertas que se encuentran en el mercado para la preparación del suelo, sin embargo, hay que tener especial cuidado a la hora de escoger con cual implemento se debe realizar el proceso de labranza, cuidando de no ayudar a la erosión de los suelos o la progresiva degradación de este. Otro factor realmente importante es el cuidado adecuado del equipo escogido para realizar el trabajo, para ello se debe conocer el suelo que va a ser labrado, ya que, de acuerdo a las propiedades mecánicas de este, el implemento podrá realizar un adecuado trabajo como también se puede presentar una falla. Teniendo en cuenta lo anterior, es de vital importancia para un Ingeniero Agrícola conocer un adecuado comportamiento de los equipos utilizados, su funcionamiento, ventajas y factores importantes a la hora de diseñar u optimizar un equipo de labranza. Es por ello que el objetivo del presente documento es realizar un análisis a la estructura o chasis de un arado de cincel vibratorio a partir del programa Sap2000, para obtener un análisis de las fuerzas presentes en la estructura de una manera más detallada, para posteriormente aplicarlas al diseño del tipo de soldadura, de acuerdo a las condiciones del suelo, previamente consultadas en literatura realizada por

Figura 1. Modelado 3D chasis tipo acv-3

2 Figura 2. Modelado 2D chasis tipo acv-3, vista superior.

Figura 6. Identificación del tipo de sección utilizada.

Figura 3. Modelado 2D chasis tipo acv-3, vista frontal.

A partir del modelo realizado en AutoCAD 2015, se importó el documento al programa Sap2000 (Structural Software for Analysis and Design) para realizarle el correspondiente análisis a la estructura, donde se eligió un material Acero A36 con secciones tubulares HSS3”x1”x3/16” y HSS4”x4”x1/4”, las fuerzas aplicadas elegidas corresponden a las mismas del análisis anterior, esto con el fin de encontrar algunas falencias o errores cometidos al realizar el trabajo, ya que se asumieron algunas propiedades que pudo influir significativamente en los resultados.

Luego de la asignación de las cargas se procedió a correr el análisis del programa, para obtener los resultados mostrados en la siguiente módulo. III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Tomando las medidas y dimensiones de la máquina, primero se buscó determinar el centro de gravedad de la máquina, ya que con respecto a este punto se proyecta el esfuerzo que produce el peso total de la máquina, para ello se hizo uso de herramientas de AutoCAD, como se muestra en la figura 4.

En la figura número cuatro, cinco y seis, se muestran la identificación de cada una de los elementos de la estructura, sus puntos correspondientes de unión y una identificación de la sección utilizada en el modelado, además que el color nos identificara el tipo de sección utilizada.

Figura 7. Búsqueda de centro de masa con herramientas de AutoCAD.

Figura 4. Identificación de los elementos estructurales del chasis tipo acv-3.

Figura 5. Identificación de los puntos de unión en el chasis tipo acv-3.

La máquina se compone principalmente de un marco y de 3 cinceles. Los cinceles están apoyados sobre unos perfiles soldados los cuales se comportan como un elemento tipo viga, estos están unidos a unas platinas laterales las cuales se comportan en conjunto como una estructura tipo parrilla, y a la vez, esta estructura está unida a otra con aspecto lateral triangular. Esta estructura está unida soldada sobre las 2 vigas que poseen los cinceles, además, posee un punto donde el tractor ejerce la fuerza de tiro, los otros 2 puntos se encuentran en el elemento tipo viga, teniendo así los 3 puntos donde se ejerce la fuerza de tiro sobre este marco. Haciendo un análisis general, es evidente que esta estructura en la cual está el tercer punto de la fuerza de tiro, este unido a través de soldaduras al resto del marco, lo cual lo convierte en un elemento unido a varios empotramientos que lo hace estáticamente indeterminado. Dado que se poseen conocimientos insuficientes para determinar una estructura con este nivel de complejidad, se analizó este elemento como uno tipo cercha en el programa Sap2000, donde las uniones

3 soldadas se asumen como nodos, esto bajo la suposición de que las soldaduras no ofrecen mayor resistencia y permiten pequeños giros y deformaciones que podremos utilizar como elemento de análisis de la estructura, y que bajo ciertos parámetros, es posible analizar de este modo las estructuras metálicas, sabiendo que, los resultados finales no se diferencian en gran medida a los reales. Se tomaron como apoyos de segundo género en los puntos de enganche al tractor, en donde se obtuvieron las reacciones mostradas en la figura 8, posteriormente se muestra los diagramas de axial, torsión, momentos que son suministrados por el programa, se pide excusas al lector debido a que algunos de estos diagramas no se muestran los valores tan claros.

Figura 9. Aproximación a las deformaciones presentadas en la estructura.

A continuación, se buscó el diagrama de axial de la estructura, este diagrama es mostrado en la figura 10, las unidades están dadas en kilo Newton (KN),

Figura 8. Reacciones en los apoyos, puntos de enganche al tractor.

Como se puede observar en la figura 8, las reacciones obtenidas varían respecto a las encontradas en el análisis anterior, por ejemplo, en los apoyos situados en los puntos 16 y 18 la diferencia de la reacción horizontal es menor de 0,48 KN y en la vertical menor de 0,74. Sin embargo en las reacciones de los apoyos en los puntos 20 y 19 varían bastante no solo en magnitud sino también en dirección, esto hace suponer que o se realizó inadecuadamente el cálculo o simplemente las aproximaciones realizadas distan mucho de la realidad, o de por lo menos el análisis que nos realiza este software. Otra ventaja que nos brinda este software es poder realizar la visualización de las deformaciones que se presentarían en la estructura de acuerdo a las cargar impuestas, a pesar de ello no se podrán mostrar los resultados numéricos, ya que esto haría que este documento se extendiera demasiado debido a la cantidad de tablas y datos que nos suministra sap2000. Sin embargo, en la figura número nueve se muestra las deformaciones (exageradas) que presentaría la estructura.

Figura 10. Diagrama y magnitud de las axiales presentes en cada elemento.

donde se puede observar que los elementos sujetos a tensión son mostrados en color azul, y a compresión los elementos identificados en rojo. También se advierte que los elementos sujetos a mayor tensión son los elementos 9 y 10, que son justamente los elementos donde se encuentran los apoyos o puntos de enganche al tractor, cabe recalcar que estos elementos, como se puede observar en el modelado 3D (figura 2), en realidad son dos por cada enganche, lo que dividiría la fuerza en dos, que estaría muy cercana a la axial experimentada por los elementos 3, 4, 5 y 6. La mayor compresión está presente en los elementos 7 y 8, que en magnitud es mayor que las axiales a tensión. Los elementos que presentar menor axial son los elementos 1 y 2. Posteriormente realizaremos el análisis al diagrama obtenido para torsión, este se muestra en la figura 11, las unidades son Kilo Newton metro (KN-m).

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Figura 11. Diagrama de torsión del chasis tipo acv-3.

A pesar que la imagen no es muy nítida, se puede observar claramente que los elementos 1 y 2 son los que están sujetos a mayor torsión, esto es debido claramente a la acción de los cinceles y los momentos que estos genera. En magnitud la mayor torsión la experimenta el elemento 2, ya que este sostiene 2 cinceles. Para analizar los diagramas de cortante debemos tener en cuenta el eje en el que se presentan. La figura número 12 nos muestra el diagrama de la cortante experimentada por todos los elementos de la estructura en el eje vertical, en nuestro caso Z, y la figura número 13 muestra la cortante experimenta, pero en el eje horizontal o X para este caso.

Figura 13. Diagrama de cortante en el eje horizontal (X), unidades KN.

Nuevamente para el estudio de los momentos flectores presentados en la estructura debemos tener en cuenta el eje de análisis. A pesar de que el software nos ofrece la posibilidad de visualización de estos momentos, cabe resaltar que no se muestran muy claros los valores, debido a que algunos de ellos tienen magnitud del orden de 10^-3, lo que lleva a una sobrecarga de datos en las imágenes. Sin embargo, se muestran en las figuras 14 y 15 para que el lector pueda tener una percepción acerca de los puntos en los que se presentan los mayores momentos.

Figura 14. Diagrama de momentos alrededor del eje vertical (Z), unidades KN. Figura 12. Diagrama de cortante en el eje vertical (Z), unidades (KN)

Como se puede observar en la anterior figura la mayor cortante se presenta en los puntos de enganche al tractor, estas cortantes tan grandes se pueden deber a la dirección y magnitud de las fuerzas aplicadas, como también de las restricciones que se le realizaron en los apoyos. Para el caso de la cortante en presentada en el eje horizontal (X), las mayores cortantes se presentan en los elementos en los que se apoyan los cinceles como se observa en la figura 13. Hay que destacar la mayor cortante que se presenta en estos elementos depende en gran medida del tipo de suelo en el que se hincan los cinceles, además que depende la humedad, cohesión, partícula y otras características que influirán en gran medida en las fuerzas experimentadas en la estructura.

Podemos observar que alrededor del eje vertical (Z) los mayores momentos presentados en la estructura se encuentran en los elementos 1 y 2, debido a la acción de la fuerza vertical producida por el cincel en estos elementos. Para el caso de los momentos presentados en el eje horizontal (X), se observa que son menores debido a la magnitud de la carga que genera momento en este eje.

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Figura 15. Diagrama de momentos alrededor del eje horizontal (X), unidades KN.

Posteriormente analizaremos los esfuerzos presentados en la estructura de análisis,

Figura 17. Diagrama de trabajo virtual presente en el chasis tipo acv-3.

máximos

IV. CONCLUSIONES 

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De acuerdo a las fuerzas obtenidas a partir del software y del anterior análisis realizado, se encuentra que en magnitud no se diferencian en gran medida, dado por ejemplo en los apoyos situados en los puntos 16 y 18 son muy cercanos a los valores anteriormente encontrados. La mayor variación respecto al análisis anteriormente realizado, se observó en los apoyos situados en los puntos 19 y 20, puesto que en el eje horizontal la magnitud y la orientación varían considerablemente.

Figura 16. Contorno de esfuerzos presentes en el chasis tipo acv-3.

para ello utilizaremos un contorno de esfuerzos que nos ofrece el programa, no se utiliza diagrama debido a la magnitud de los valores, lo que ocasionaría que la imagen queda sobre cargada. Como podemos observar en la figura 16, el contorno nos indica que los esfuerzos más grandes se presentan en la cercanía de las uniones de los elementos 3, 4, 5 y 6 con el elemento 2, lo mismo sucede con los elementos 7 y 8, los cuales presentan esfuerzos de casi igual magnitud, pero en diferente dirección. Finalmente, en la figura número 17 podemos observar el diagrama o contorno de trabajo virtual relativo por la acción de las cargas impuestas inicialmente, en él se puede observar que el máximo trabajo se presenta en los elementos centrales 5 y 6, seguidos de los dos elementos laterales 3 y 4. Cabe resaltar que el trabajo mínimo se presenta en el elemento 2 del chasis.

V. BIBLIOGRAFÍA [1] J. H. Camacho Tamayo, «EVALUACIÓN DE IMPLEMENTOS DE LABRANZA A DIFERENTES,» Agricultura técnica Chile, 2007. [2] «ecured,» 2012. [En línea]. Available: https://www.ecured.cu/Arado_de_cincel. [Último acceso: 22 04 2018].

6 [3] «maquinariamontana,» [En línea]. Available: http://www.maquinariamontana.com/es/productos/labranza/ar ado-de-cincel-vibratorio. [Último acceso: 22 04 2018].