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ANÁLISIS SISTEMA HIDRÁULICO Integrantes: Onman Andrés Parra Zamudio. Cristian Camilo Aguirre Márquez. Alfredo Guerrero. Asignatura: Potencia Fluida Profesor: Pedro León Simancas PHD

Universidad de Antioquía Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica Medellín 2017

Contenido INTRODUCCIÓN............................................................................................................3 OBJETIVOS...................................................................................................................4 OBJETIVO GENERAL................................................................................................4 OBJETIVOS ESPECIFICOS.......................................................................................4 VOLQUETA....................................................................................................................5 DATOS Y MEDIDAS.......................................................................................................6

INTRODUCCIÓN La hidráulica es la tecnología que emplea un líquido o fluido sea agua, aceite mineral o sintético, para transmitir una fuerza o energía necesaria para mover y hacer funcionar los mecanismos; cuyo funcionamiento se basa en el aumento de la presión del fluido por medio de elementos propios de los circuitos hidráulicos para ser utilizado como trabajo útil en un elemento convencional de salida que por lo generan son los cilindros, aplicando el principio de Pascal. El grupo de trabajo se decide por realizar el proceso de cálculo para un cilindro hidráulico de una volqueta Chevrolet C-70 de la Universidad de Antioquía, la cual posee un motor V8 a gasolina modelo 82, que a su vez tiene una capacidad de carga de aproximadamente 4,5 toneladas. Algunas especificaciones técnicas suministradas por el conductor son: Batería de 8A, el mantenimiento de la volqueta se hace aproximadamente cada 5000 Km, en cuanto a el cambio de aceite y engrasada, este mantenimiento se realiza exclusivamente en la estación de gasolina Texaco universidad. El consumo de la volqueta es 7 Km por galón y el aceite de transmisión utilizado es de referencia 80W90 y otro tipo de aceite utilizado es 20W50 se depositan 6/4.

OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL  Analizar los elementos básicos de un sistema hidráulico para la caja de descarga de una volqueta 4X2.

OBJETIVOS ESPECIFICOS  Determinar el cálculo de los actuadores o cilindros hidráulicos para la aplicación deseada.  Verificar a partir de los cálculos de los consumos de los cilindros hidráulicos, la bomba más adecuada para el sistema.  determinar los diámetros de las mangueras, tuberías de succión y la descarga del sistema hidráulico determinado.  Determinar el pandeo, teniendo en cuenta las condiciones de carga y la longitud del vástago, para que este no sufra daños estructurales durante su proceso de trabajo habitual.  Calcular la capacidad de almacenamiento del tanque del sistema hidráulico a partir del consumo del sistema.  Determinar el aceite hidráulico adecuado para el sistema.

VOLQUETA La necesidad de transportar grandes cantidades de carga, desde el origen del automóvil se ve la necesidad de modificarlo para que pueda ser utilizado como medio de transporte de carga; evolucionando a una estructura integrada por un chasis portante, hoy en día existen todo tipo de camiones y tamaños, pequeños, medianos (volquetas, doble troques, tracto mulas entre otros) y extra grandes (utilizados en la minería); esto demuestra la especialización del camión dotándolos de ciertas características propias del trabajo en el cual se desempeñara. El grupo de trabajo opto por desarrollar el trabajo hidráulico de una volqueta, ya que es una maquinaria utilizada necesariamente en cualquier tipo de obras civiles y mineras entre otras; las cuales poseen un dispositivo mecánico (hidráulico) para volcar la carga que transporta en cajón que reposa sobre el chasis del vehículo; los materiales y equipos implementados o utilizados para la construcción de la volqueta dependen precisamente del volumen de material que pueda transportar el cajón; por este motivo la volqueta cumple la función específica de transportar carga ya sea dentro de la misma obra o fuera de ella. En este caso se analizara una volqueta de siete metros cúbicos, la cual posee solo dos ejes; son las más comunes en el transporte de materiales de construcción o de residuos de obras civiles. En el mercado existen una gran variedad de modelos como los mostrados en la tabla a continuación: Marca

Modelo

FOTON KENWORTH HOWO FREIGHTLNER

BJ3122 T370 380 M2 106

Peso en vacío (Kg) 5400 N.A 7100 8822

Peso bruto vehicular (Kg) 10400 N.A 13000 17000

Capacidad de carga (Kg) 5000 5443 5900 10172

Peso bruto vehicular (Kg)

Capacidad de carga (Kg) 4500

El grupo tomara las medidas del siguiente modelo: Marca

Modelo

Chevrolet C-70

82

Peso en vacío (Kg)

DATOS Y MEDIDAS        

Diámetro del pistón= 6,3 cm Diámetro manguera 1= 2,55 cm Diámetro manguera 2= 3,82 cm Longitud de trabajo del pistón= 39,5 cm Longitud total del pistón= 64cm Longitud total del pistón hasta el cojinete= 78 cm Longitud total del cilindro o camisa del pistón= 76,5 cm Diámetro del cilindro= 61 cm Las mangueras 1 y 2 se conectan directamente al pistón hidráulico para transmitir el aceite y generar la fuerza necesaria para subir el peso o carga del volcó. Como se mencionó anteriormente en las especificaciones técnicas es un motor a gasolina V8, es decir, presenta 8 bujías que generan la descarga o la chispa para producir la combustión y la gasolina empleada es corriente.

CÁLCULOS Para el desarrollo de los cálculos se tomó dos configuraciones o posiciones del pistón hidráulico para poder determinar la fuerza necesaria para mover la carga.

 Triangulo de fuerzas con pistón levantado:

Triangulo de fuerzas con pistón acostado:

Descomposición vectorial del pistón

Se realiza el análisis de los momentos generados con respecto al pivote para realizar el cálculo de la fuerza que debe soportar el par de pistones. +↺𝑀𝑝𝑖𝑣𝑜𝑡�=0 (216𝑚𝑚)−𝐹𝑃�(1152−360)𝑚𝑚+�(854−360)𝑚𝑚=0 𝐹𝑃�=𝐹𝑃sin� 𝐹𝑃�=𝐹𝑃cos∅ 𝐹𝑃𝑖𝑠𝑡𝑜𝑛�𝑠=336061,41 � 𝐹1 𝑃𝑖𝑠𝑡𝑜𝑛=336.061,41/2=168.030,7 � (fuerza que se ejerce sobre el pistón) SELECCIÓN PISTÓN A continuación se realizan los respectivos cálculos para la selección del cilindro, trabajando con una presión de alivio de 17255Kpa la cual fue seleccionada del catálogo de la maquinaria. 𝑃𝑎𝑙𝑖𝑣𝑖𝑜=𝑃𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜+10 % 𝑃𝑎𝑙𝑖𝑣𝑖𝑜=𝑃𝑇+0,1 𝑃𝑇 𝑃𝑇=𝑃𝑎𝑙𝑖𝑣𝑖𝑜/1,1=17255/1,1 𝐾𝑝𝑎 𝑃𝑇=15686,36 𝐾𝑝𝑎

𝐹𝑇=𝐹1 𝑝𝑖𝑠𝑡𝑜𝑛×𝐹�=168.030,7 � ×1,2 𝐹𝑇=201.636,84 �; 𝑃𝑇=𝐹𝑇/�; �=𝐹𝑇/𝑃

�=201.636,84 �/15686360 𝑃𝑎=0,012854 𝑚2 A=(�/4)*�2

D= RAIS( 4A/π) Con el diámetro calculado, la presión de trabajo y la fuerza a soportar en libras fuerza, se ingresa a la Tabla 2 para encontrar el diámetro nominal, el que mejor se acomoda para estas condiciones es un cilindro de 6”. Para la selección del vástago se utiliza la fuerza aplicada en el mismo en libras – fuerza. 𝐹𝑢�𝑟𝑧𝑎 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎=> 168.030 �= 37.774,66 𝑙𝑏�

NOTA: ingeniero cristian, Alfredo y victor, se verifica la selección del diámetro del cilindro con la copia que el profe entrego en clase. VERIFICACIÓN DE PANDEO Basados en el catálogo de Parker se utiliza la siguiente grafica para la selección del diámetro del vástago, para la cual es necesario la fuerza aplicada al mismo y una longitud básica que se expresa por la siguiente formula. �𝑡𝑟𝑜𝑘�=864 𝑚𝑚=34,02 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠 𝐵𝑎𝑠𝑖𝑐 𝑙�𝑛𝑔𝑡ℎ =𝑠𝑡𝑟𝑜𝑘�×𝑠𝑡𝑟𝑜𝑘� �𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟

Para la selección del factor de carrera se observan los tipos de pivote por la siguiente figura.

𝑠𝑡𝑟𝑜𝑘� �𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟=2

𝐵𝑎𝑠𝑖𝑐 𝑙�𝑛𝑔𝑡ℎ =34,02×2=68,04 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠

Como se había comprobado anteriormente el vástago requerido tiene un diámetro 3 pulgadas según la imagen 4. GASTO DE ACEITE Se ingresa a la tabla 4 con el diámetro del pistón y del vástago.

Este se calcula a partir de: 𝐺𝑎𝑠𝑡𝑜 𝑑� 𝑎𝑐�𝑖𝑡�=0,0918 (𝑔𝑎𝑙/𝑖𝑛)×6,1 (𝑖𝑛/𝑠�𝑔)×60(𝑠�𝑔/𝑚𝑖𝑛)=33,6 𝐺𝑃𝑀 El cálculo anterior es para un solo cilindro, por lo tanto se debe multiplicar este valor por dos debido a que son dos cilindros hidráulicos. 33,6 𝐺𝑃𝑀 ×2=67,2 𝐺𝑃𝑀 SELECCIÓN DE BOMBA

Teniendo en cuenta el caudal requerido por los dos pistones se utiliza la siguiente tabla para su selección.

De la tabla anterior se ve que el máximo caudal que puede entregar una bomba a 2000 psi Y 2500 RPM es de 34.3 GPM, lo cual se queda corto para el caudal total necesario en el sistema de elevación del volcó, por lo tanto se deben instalar dos bombas M14 @ 2500 rpm y 200 psi. CAPACIDAD DEL TANQUE Por teoría se dice que la capacidad del tanque es de 3 a 4 veces el caudal de la bomba, por esto la capacidad de nuestro tanque se define así: 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑�𝑙 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢�=3,5 ×𝑔𝑎𝑠𝑡𝑜 𝑑� 𝑎𝑐�𝑖𝑡�

𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑�𝑙 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢�=3,5 ×68,6 𝐺𝑎𝑙𝑜𝑛�𝑠=240,1 𝐺𝑎𝑙𝑜𝑛�𝑠 DIMENSIONAMIENTO TUBERÍAS Tubería de presión Para la tubería de presión por norma se tiene que la velocidad máxima permitida es de 15 ft/s. Por lo tanto: �=�×�

34,3(𝑔𝑎𝑙/𝑚𝑖𝑛)×(1 𝑚𝑖𝑛/60 𝑠�𝑔)×(231 𝑖𝑛3/ 1 𝑔𝑎𝑙)=15(�𝑡/𝑠)×(12 𝑖𝑛/1�𝑡)×� A=0,7336 𝑖𝑛2

D= RAIS( 4A/π) �=0,967 𝑖𝑛≈1 𝑖𝑛 Tubería de succión Para la tubería de succión por normase tiene que la velocidad máxima permitida es de 4 ft/s. Por lo tanto: �=�×�

34,3(𝑔𝑎𝑙/𝑚𝑖𝑛)×(1 𝑚𝑖𝑛/60 𝑠�𝑔)×(231 𝑖𝑛3/ 1 𝑔𝑎𝑙)=4(�𝑡/𝑠)×(12 𝑖𝑛/1�𝑡)×� A= 2,75 𝑖𝑛2

D= RAIS( 4A/π) �=1,87 𝑖𝑛≈2 𝑖𝑛

Tubería de retorno Para la tubería de retorno por normase tiene que la velocidad máxima permitida es de 10 ft/s. Por lo tanto: �=�×�

34,3(𝑔𝑎𝑙/𝑚𝑖𝑛)×(1 𝑚𝑖𝑛/60 𝑠�𝑔)×(231 𝑖𝑛3 /1 𝑔𝑎𝑙)=10(�𝑡/𝑠)×(12 𝑖𝑛/1�𝑡)×� �=1,1 i𝑛2

D= RAIS( 4A/π)

�=1,1837 𝑖𝑛≈1 (¼) 𝑖𝑛

SELECCIÓN DEL FLUIDO HIDRÁULICO (NOTA: preguntar al dueño de la volqueta que tipo de aceite usa para el cilindro hidráulico para hacer una comparativa) En cualquier sistema hidráulico, el fluido de trabajo ocupa un lugar importante en el funcionamiento, desempeño y duración del equipo ya que este tiene propiedades específicas para un correcto servicio, según sea la viscosidad del mismo, su grado de oxidación, estabilidad térmica y otras características fundamentales. De este modo se seleccionó un aceite muy comercial y que puede lograr un buen trabajo, el cual es el Shell TELLUS 68, a continuación, se muestra su ficha técnica.

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